Pel que fa al relleu, dins del Paratge Natural podem diferenciar dos grans sectors. D'una banda el sector sud que correspon al vessant nord del massís de les Muntanyes de Prades, i que ocupa unes 4/5 parts de l'espai, caracteritzant-se per un relleu marcadament muntanyós. L'altre sector, situat al nord, correspon al límit sud-est de la Depressió de l'Ebre i ocupa aproximadament 1/5 de la superfície protegida, formant un conjunt de terres més planeres al voltant de la vall del riu Sec, dins del que coneixem pròpiament com a Conca de Barberà.

Aquests dos sectors corresponen a dues unitats geogràfiques ben diferenciades, per un costat el sector sud pertany a la Serralada Prelitoral Catalana, dins de les Serralades Costaneres Catalanes, per una altra banda, el sector nord pertany, en canvi, a la Depressió Central Catalana. Totes dues unitats es troben separades per l'anomenada falla de Poblet. Un altre factor que diferencia aquests dos sectors són els substrats geològics. Tot i la gran diversitat de materials que trobem al Paratge Natural, podem dir que, malgrat algunes excepcions, en l'àrea muntanyosa predominen les roques silíciques, més dures i resistents a l'erosió, mentre que a la plana dominen materials calcaris, més tous.

L'àrea muntanyosa del Paratge està formada per un conjunt de barrancs i serres orientades la major part d'elles en sentit sud-nord. Els principals barrancs són: el del Titllar, el dels Torners, el de Castellfollit, el de l'Argentada, el de les Fargues i el de la Pena, que drenen tot ells les seves aigües al barranc del riu Sec, situat a la zona de la plana. Per altra banda, tenim el barranc de la Trinitat que drena les seves aigües directament al riu Francolí.

Entre les serres destaquem el Serret de la Mina, la serra Alta, la serra Llarga i el Serret de la Sella. Les altituds són molt variades, i van des dels 400 metres de les parts més baixes del riu Sec, fins als 1201 metres del tossal de la Baltasana, a l'extrem sud-oest de l'espai protegit (entre els termes municipals de Vimbodí i Prades), i que representa el cim culminant no solament del Paratge, sinó de totes les Muntanyes de Prades. Per tant, ja veiem que en molt poca superfície les diferències d'altitud són molt considerables.

A la capçalera dels barrancs hi trobem diversos cingles i tarteres que representen el límit natural dels altiplans situats a la zona sud del Paratge, fora ja dels seus límits, i que ens endinsen cap a la resta de les Muntanyes de Prades. Entre els barrancs i les serres també hi trobem diverses agulles granítiques, que pel fet de tenir materials més durs han estat més resistents a l'erosió al llarg del temps, com el roc Ponent o la roca de la Mel.

Aquest conjunt de serres i barrancs de curta longitud i forta pendent, juntament amb els nombrosos cingles i agulles dóna com a resultat un relleu abrupte i esquerpat, esdevenint moltes zones del Paratge de difícil accés.