Geomorfologický podcelek Pavlovské vrchy má charakter členité vrchoviny o rozloze 44 km2, střední výšce 270 m a středním sklonu 5°59´. Ze Z a SZ hraničí s Dyjsko-svrateckým úvalem, ze SV se Středomoravskou nivou, z V a J s Valtickou pahorkatinou. Pavlovské vrchy leží v záp. části Mikulovské vrchoviny.
Podloží tvoří flyšové jílovce a pískovce ždánicko–hustopečského souvrství ždánické jednotky vnější skupiny příkrovů s tektonicky odloučenými krami ernstbrunnských vápenců. V celé oblasti jsou významné rozsáhlé překryvy spraší a sprašových hlín.
Fenoménem jihomoravské krajiny jsou bradla Pavlovských vrchů. Příkrovově nasunutá odolná vápencová bradla, která byla vypreparována z měkčího flyšového obalu a modelována mechanickým zvětráváním, jsou mohutným exotem v geologicky i geomorfologicky odlišném prostředí. Jejich úpatí jsou překryta sutí. Některá z bradel, zvláště Stolová hora, mají na svých vrcholech sečné plošiny, které vznikly subaerickými odnosovými pochody.
Charakteristické jsou zbytky zarovnaných povrchů, tvary způsobené periglaciálními procesy a sesuvy. V bradlech se vyvinuly povrchové i podzemní krasové tvary, z nichž nejvýznamnější je jeskyně Na Turoldu. V opuštěné cihelně u Dolních Věstonic lze nalézt pozoruhodný profil tvořený sprašemi s pohřbenými půdami interglaciálů (NPP Kalendář věků), okolí je světově proslulé archeologickými nálezy pavlovienu. Některá bradla jsou pozměněna opuštěnými kamenolomy. Nejvyšším bodem je vrchol Děvín (549 m), významnými body jsou Stolová hora (459 m), Kočičí skála (362 m), Turold (385 m), Svatý kopeček (363 m) a Soutěska (407 m).
Pavlovské vrchy leží v 1.—3. vegetačním stupni, jsou středně zalesněné převážně dubovými a habrovými pařezinami s lípou a teplomilnými keři. Na již. svazích se nachází stepní lady s dubem pýřitým, četné jsou vinice a sady. Celá oblast byla v roce 1976 pro svou výjimečnost vyhlášena za CHKO Pálava a byla zde zřízena rovněž biosférická rezervace UNESCO.
Zvlášť hodnotné lokality jsou chráněny i formou zvláště chráněných území. Patří mezi ně NPR Děvín-Kotel-Soutěska, NPR Tabulová, Růžový vrch a Kočičí kámen, NPP Kalendář věků, PR Turold, PR Svatý kopeček a PP Kočičí skála. Předmětem ochrany jsou skalní, stepní, křovinné a lesní ekosystémy na vápencovém podkladu s mimořádně bohatou flórou a faunou.
Historické centrum Mikulova s cennou architekturou požívá statutu městské památkové rezervace a obec Pavlov je chráněna jako vesnická památková rezervace.