Dolinę otaczają potężne pasmo górskie Panamint z najwyższym szczytem Telescope Peak 3368 m n.p.m. oraz pasmo gór Amargosa.
Klimat zwrotnikowy, suchy, z opadami nieprzekraczającymi 50 mm rocznie (w niektórych latach deszcz nie pada w ogóle)[1]. Najbardziej suche miejsce Ameryki i jedno z najgorętszych miejsc na Ziemi, gdzie 10 lipca 1913 roku temperatura osiągnęła 56,7 °C (134 °F)[2]. Jest to światowy rekord temperatury powietrza[3][4]. Wilgotność powietrza wynosi w Dolinie Śmierci średnio około 1%[5].
Rzeki w Dolinie mają charakter okresowych (Salt Creek, Furnace Creek). Niewielkie słone jezioro o nazwie Badwater zawiera bardzo niezwykłą faunę. Na terenie Racetrack Playa występuje zjawisko tzw. „wędrujących kamieni”. Na obszarze tym po gwałtownych ulewach występuje płynące błoto, które wysycha i pęka. W nocy na skutek obniżenia temperatury poniżej zera dochodzi do zamarzania powierzchni i utworzenia na niej warstwy lodu. Wówczas silne wiatry wiejące w dolinie mogą przesuwać po tymczasowo śliskiej lodowej powierzchni nawet ciężkie kamienie o wadze do 300 kg w kierunku środka Racetrack Playa[6].