La sierra comienza en el Río Bravo, cerca del Parque nacional Big Bend en Texas y se extiende al sureste por aproximadamente 110 km, alcanzando una elevación máxima de 2042 m s. n. m. (metros sobre el nivel del mar).

La zona que propiamente comprende a la serranía del Burro y que se levanta en el norte de la subprovincia presenta una falla normal sobre su flanco noroeste, es accidentada en su parte central, donde incluye un sistema radial de valles angostos, pero mucho más tendida hacia el este y el sureste; hacia donde la sierra se hace más estrecha y baja en altitud hasta rematar en el lomerío de Peyotes, al este de Nueva Rosita.

La Sierra está localizada en el Desierto de Chihuahua, y la mayoría de la vegetación es semiárida o matorral desértico árido, incluyendo chaparral y matorral Tamaulipeco.

Hay bosques de roble en elevaciones sobre los 1500 m s. n. m. Entre la fauna está el oso negro americano, una especie amenazada en México, excepto la Sierra del Burro donde todavía se le encuentra en buena cantidad.

[4]​ La Sierra del Burro es un destino popular en México para el ciclismo de montaña.