Valderejo forma el cierre occidental del anticlinal Lahoz-Sobrón. La erosión ha dejado al descubierto el núcleo del anticlinal. Actualmente, forma un amplio valle rodeado de paredones calizos. Las mayores alturas son:
Se corresponden con los flancos del anticlinal que hace siglos formaron parte de una misma estructura.
El clima es de transición entre el Atlántico y el Mediterráneo, con veranos calurosos y secos e inviernos con abundantes nevadas. Este hecho, proporciona una gran biodiversidad, dando lugar a una mayor riqueza tanto en vegetación como en fauna encontrándonos especies típicas en los dos ambientes.
El Purón que nace al norte de Lahoz, es el principal rio del Parque. Discurre en dirección N-S para desembocar en el Ebro después de atravesar tierras burgalesas. El Ampo y el Polledo son sus principales afluentes.
Los bosque constituyen más del 58% del total de la superficie vegetal siendo el pinar el más extendido, seguido del encinar, el hayedo y una pequeña superficie ocupada por el quejigal. La vegetación ribereña está bastante bien conservada, sobre todo en algunos tramos. Los prados y los cultivos ocupan el fondo del valle. La vasta altiplanice está ocupada por un mosaico de pasto-matorral que adquiere preponderancia.
La variedad de ecosistemas y la escasa presencia humana en la zona ha propiciado la existencia de una fauna rica y variada.
Es de destacar la presencia de grandes mamíferos como el corzo y el jabalí y una interesante comunidad de medianos carnívoros.
En los cortados nidifica una importante colonia de buitre leonado, así como gran variedad de aves rupícolas y forestales.