Eoceńskie ruchy tektoniczne doprowadziły do wypiętrzenia szeregu zrębów zbudowanych głównie ze starych granitów i łupków krystalicznych, jedynie wschodnia część Sierra de Guadarama ma mezozoiczne pokrywy na starszym, hercyńskim podłożu. Wierzchołki gór, wskutek erozji są dosyć silnie zniszczone i wykazują pewną asymetrię. Stoki południowe są bardziej strome, gwałtownie przechodząc w kotlinowate równiny Nowej Kastylii. Stoki północne wykazują większą łagodność, co wynika z faktu istnienia od północy wyraźnego uskoku tektonicznego a od południa fleksur. Grupy górskie wchodzące w skład Gór Kastylijskich tworzą szereg równolegle do siebie biegnących grzbietów, oddzielonych podłużnymi obniżeniami. Poza podszczytowymi zrównaniami w wyższych partiach gór zaznaczają się plejstoceńskie formy polodowcowe. Góry Kastylijskie stanowią dział wodny między dorzeczamiDuero i Tagu.
