Forma parte de la sierra de Guadarrama, formación montañosa perteneciente al sistema Central. Este valle está orientado de norte a sur y la vertiente de sus aguas está orientada al sur. Tiene una longitud aproximada de 6 km y una anchura media de 2,5 km. La zona más baja del valle está a 1200 metros y los picos superan los 2000 metros de altitud.
Por el valle de la Fuenfría transcurren numerosos arroyos, pero el principal es el arroyo de la Venta, al que atraviesan tres puentes romanos.
La vegetación en este paraje es muy abundante y el bosque de pino silvestre cubre la práctica totalidad de la superficie del valle. Existen árboles de hoja caduca en las riberas del arroyo de la Venta, junto con zonas de matorral de alta montaña por encima de los 2000 metros y roquedales a esa misma altitud.
En el límite sur del valle está el municipio de Cercedilla, un centro turístico muy transitado por montañeros y turistas. En este pueblo hay bastantes hoteles, albergues y restaurantes y, además, cuenta con una estación de tren en la que sale la línea C-9 de Cercanías Madrid, la cual llega al puerto de Navacerrada y al puerto de Cotos.
La gran afluencia de turistas y montañeros ha hecho necesaria la construcción, en el fondo de este valle, de información turística y medioambiental y dos áreas recreativas. En ellas hay aparcamientos, restaurantes, merenderos, senderos que recorren el valle y piscinas naturales construidas sobre el arroyo de la Venta. La mayor área recreativa de la zona corresponde a las Dehesas de Cercedilla, desde la que sale la calzada romana que recorre el valle y atraviesa el puerto de la Fuenfría. Desde este lugar sale la Carretera de la República, una pista forestal famosa por sus miradores que lleva al puerto de la Fuenfría. En el arroyo de la Navazuela está la Ducha de los Alemanes, una cascada muy visitada por su belleza.