В настоящее время происходит процесс дальнейшего роста окружающих гор и понижения дна долины. Процесс повышения Черных гор происходит очень быстро. В результате столь стремительного роста во многих местах вдоль Черных гор образовались так называемые «бокалоподобные каньоны», а не классические V-образные, сходящиеся в точке потока.
Самым высоким местом парка является хребет Панаминт с пиком Телескоп высотой 3368 м над уровнем моря. Долина Смерти является переходной зоной от северной части пустыни Мохаве и пятью горными хребтами вдоль Тихого океана, три из которых (Сьерра-Невада, Аргус и Панаминт) являются значительными барьерами. Воздушные потоки, быстро спускаясь с гор, в результате адиабатического процесса сильно нагреваются и теряют влажность, в результате чего возникает сухой и горячий воздух — этот процесс климатологи называют «дождевой тенью». В результате этого процесса Долина Смерти считается самой засушливой территорией Северной Америки, где в районе Бэдуотер в год в среднем выпадает всего 43 мм осадков, а в некоторые годы там вообще не регистрируется каких-либо дождей. Ежегодный средний уровень выпадения осадков колеблется от 48 мм в местах ниже уровня моря до 380 мм в горах, окружающих долину. Когда же дождь, наконец, приходит, он часто вызывает обильные наводнения, которые изменяют структуру ландшафта и иногда создают очень мелкие эфемерные озера.
На высоте 86 м ниже уровня моря находится вторая самая низкая точка земной поверхности в западном полушарии (после Гран-Бахо-де-Сан-Хулиан в Аргентине), а на расстоянии всего 140 км от этого места вершина Уитни поднимается на высоту 4,421 м над уровнем моря. Это место является последней точкой в дренажной системе Большого Бассейна, поэтому ранее, в более влажные времена, в этом месте собиралась вода со всего региона, образуя большое древнее соленое озеро Менли, которое впоследствии высохло, образовав соляное озеро. Таким образом, соляные озера в долине считаются одними из крупнейших озер в мире, богатыми такими минералами как бура, различные минеральные соли и гидраты. Крупнейшее соляное озеро в парке протянулось на 65 км, общей площадью в 500 кв. км, покрывая дно долины.
Вторым широко известным соляным озером является Рейстрек. Оно также знаменито своими загадочными движущимися камнями. Это один из самых любопытных и реально зафиксированных природных феноменов. Среди иссушенного солнцем пространства разбросаны валуны — на вид самые обыкновенные, размерами от футбольного мяча до глыб весом 0,5 тонны. Камни имеют свойство самостоятельно менять местоположение, оставляя видимые следы передвижения.
10 июля 1913 г. в Долине Смерти в районе Бэдуотер была зафиксирована рекордно высокая температура — 57 °C, и до сегодняшнего дня этот термический показатель остается самым высоким в Северной Америке. Ежедневные дневные летние температуры, превышающие 50 °C, обычны для территории парка, а в зимние ночи температура здесь иногда опускается ниже 0 °C. Несколько ручьев в Долине Смерти питаются подземными водами водоносных горизонтов, которые тянутся на восток к южным районам штатов Юта и Невада. Большая часть воды в этих водоносных горизонтах скопилась несколько тысяч лет назад, во время ледниковых периодов эпохи плейстоцена, когда климат был мягче и прохладнее. Современный сухой климат не позволяет восполнять потребляемые запасы воды в горизонтах.
Неимоверные жара и сухость препятствуют формированию почвы. Почвенной эрозии способствуют оползни, оголяя значительные районы. Знаменитые песчаные дюны тоже можно увидеть в парке, причем одним из самых известных мест с дюнами кварцевого песка является район Стувпайп Веллс на севере Долины Смерти. Другое подобное место находится в 16 км к северу, но дюны там уже состоят из травертинового песка.
За последние 10 тысяч лет на этой территории жили четыре различные культуры индейцев. Представители первой группы, называемой Неварес-Спринг, были охотниками и собирателями. Они обосновались здесь приблизительно 9 тысяч лет назад, когда в Долине Смерти еще были озера — остатки огромных первобытных водоемов Менли и Панаминт. В то время климат был гораздо мягче, и этот район славился изобилием дичи. 5 тысяч лет назад на смену им пришла другая схожая культура — Мескуайт-Флат. Около 2 тысяч лет назад на этой территории появились индейцы Саратога-Спринг, владевшие ремеслами и оставившие в долине загадочные образцы камней. К тому времени Долина Смерти уже стала жаркой, безводной пустыней, а по оценкам геологов последнее озеро здесь высохло за тысячу лет до нашей эры.