Geomorfologický celek Mikulovská vrchovina je součástí geomorfologické oblasti Jihomoravské Karpaty. Tvoří jej členitá vrchovina o rozloze oblasti je 81 km2, střední výšce 263 m a středním sklonu 5°28´. Území je na S vymezeno Dyjsko–moravskou nivou, na vých. Valtickou pahorkatinou (obě jsou součástí Dolnomoravského úvalu). Jižní okraj území tvoří široká sníženina starého opuštěného údolí řeky Dyje v jejímž prostoru Mikulovská vrchovina přechází na území Rakouska. Západní část území je vymezena nižším pahorkatinným reliéfem Dyjsko–svrateckého úvalu.
V rámci Mikulovské vrchoviny jsou vymezeny dva geomorfologické podcelky:
Mikulovská vrchovina je členitá vrchovina hrásťového typu tvořená flyšovými horninami ždánické jednotky vnější skupiny příkrovů, bradly jurských vápenců a neogenními sedimenty vídeňské pánve. V celé oblasti se vyskytují překryvy spraší a sprašových hlín. Údolní nivy a dna suchých údolí jsou vyplněny písčitohlinitými fluviálními a deluviofluviálními sedimenty.
Geologický vývoj celé oblasti Mikulovské vrchoviny souvisí s vývojem alpsko–karpatské geosynklinální soustavy v mezozoiku a v terciéru. Oblast náleží z převážné části ke ždánické jednotce vnější skupiny příkrovů a zóně Waschbergu. Vlastní příkrovová stavba je výsledkem jednotlivých fází vrásnění v průběhu miocénu. Při okraji ždánického příkrovu vzniklo v oblasti Pavlovských vrchů složité antiklinoriální pásmo, v němž vystupují na povrch bradla jurských sedimentů — klentnické souvrství a ernstbrunnské vápence — tektonicky odloučené z podkladu příkrovů. Dnes tyto bradlové útesy díky svým relativně pevným horninám tvoří nejtypičtější prvek reliéfu Pálavy.
V oblasti převládá erozně–denudační reliéf na hluboce denudovaném střižném příkrovu s výraznými strukturními tvary, se zbytky zarovnaných povrchů a četnými periglaciální tvary. Nejvyšší vrchol je Děvín (554 m) v Pavlovských vrších. V oblasti se nacházejí významné lokality s krasovými procesy (jeskyně na Turoldu) a také světově proslulé paleontologické lokality neogenní fauny (Mušlov a Kienberg).
Oblast náleží k nejstarším historickým ekumenám. K osídlení oblasti pod vrcholem Děvínem došlo již ve starší době kamenné kulturou pavlovienu (naleziště tábořišť u Dolních Věstonic a Pavlova).
Ochrana přírody v CHKO Pálava
Chráněná krajinná oblast Pálava, vyhlášená v roce 1976 na ploše 83 km2, je harmonicky utvářenou krajinou s charakteristickým reliéfem s dominantou Pavlovských vrchů, významným podílem přirozených nebo málo ovlivněných stepních ekosystémů a s dochovanými památkami historického osídlení.
Nejcennější biotopy druhově bohatých skalních, drnových a lučních stepí, lesostepí, teplomilných doubrav a suťových lesů se vyvinuly na vápencových kopcích Pavlovských vrchů. Lesní komplex Milovické pahorkatiny tvoří teplomilné doubravy a panonské dubohabřiny, v nichž jsou dvě obory pro chov zvěře. V nivě řeky Dyje se střídají lužní lesy s loukami a jinými mokřadními nebo vodními společenstvy.
Jednou z posledních lokalit slanomilné vegetace je Slanisko u Nesytu v již. části CHKO. Zbývající část území CHKO tvoří zemědělsky využívaná krajina s převahou vinic a jednotlivá sídla s výsadním postavením historického města Mikulova. V rámci CHKO Pálava jsou vyhlášeny 4 národní přírodní rezervace, 1 národní přírodní památka, 5 přírodních rezervací a 4 přírodní památky.
V roce 1986 byla dekretem UNESCO — Programu člověk a biosféra vyhlášena Biosférická rezervace (BR) Pálava a byla tak uznána jako součást mezinárodní sítě biosférických rezervací. Tato síť chráněných ukázek světových ekosystémů je určena k zachování přírody a vědeckému výzkumu pro potřebu lidstva a umožňuje přijmout směrodatná rozhodnutí proti negativním vlivům člověka na toto přírodní prostředí. V roce 2003 byly završeny snahy o rozšíření území biosférické rezervace o sousední Lednicko-valtický areál, lužní lesy na soutoku Moravy a Dyje a na Tvrdonicku, a vznikla tak podstatně větší Biosférická rezervace Dolní Morava.
Mezinárodní (Ramsarská) konvence o ochraně mokřadů zasahuje územím NPR Křivé jezero i do CHKO Pálava Mokřadem dolního Podyjí, který se nachází v místě původního souvislého komplexu lužních biotopů podél řeky Dyje a Moravy, nově začleněným do trilateriálního mezinárodního mokřadního území na pomezí České republiky, Slovenska a Rakouska.