Около 26% площади пустыни занято небольшими возвышенностями из гранитов и вулканических пород, почти 75% занимают так называемые «бахады» -подгорные плащи, или предгорные педименты. Бахады - широкие слабопологие пространства из рыхлых каменистых материалов, геоморфологически образующиеся при смыкании наносов и характеризующиеся отсутствием мелкозема и слаборазвитыми почвами. Бахады плавно переходят в плоские аллювиальные равнины, прорезанные руслами постоянных и временных водотоков. Большинство из них заполняется в период дождей, а в отсутствии дождей по ним проходит подрусловой сток. Называют такие русла «washes» или arroyo - «арройо».
Горы, расположенные в пределах пустыни, сложены метаморфическими породами, устойчивы к эрозии, вследствие чего имеют склоны 20-40°. Долины расположены на высоте не выше 650 м. В Нижней Калифорнии и Аризоне множество вулканических гор с выступающими базальтовыми массами или некками, изолированные горы с плоскими вершинами и обрывистыми склонами. В этих горных массивах встречаются каньоны значительной глубины. Есть горы, где наблюдаются заморозки.
Незначительная часть территории пустыни имеет сток в Тихий океан, основная же ее часть дренируется Калифорнийским заливом. Самыми крупными из встречающихся здесь бессточных бассейнов являются Солтон-Си и Лагуна-Салада. Северную часть пустыни дренируют реки Колорадо, Яки, Солт, Верде и Хила. В северо-западной части Соноры находится река Соноита. Воды этой реки и Рио-Соноре никогда не доходят до залива, испаряются в пустыне. Редко поступают в залив и воды реки Рио-Магдалены. Паводок по этим рекам, наблюдающийся в дождливые периоды, проходит в течение нескольких дней или даже часов.