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É formado por montanhas de topo suave, acredita-se que o nome Catimbau provenha de "morro que perdeu a ponta". Entre as montanhas encontram-se encostas abruptas e vales abertos. É uma região de intensa erosão. As formações geológicas são compostas de arenitos de diversas cores e tipos que datam de mais de 100 milhões de anos. Apresenta cerca de duas mil cavernas e 28 cavernas-cemitério.
Considerada Área de Extrema Importância Biológica, a unidade apresenta também registros de pinturas rupestres e artefatos da ocupação pré-histórica datados de pelo menos 6 000 anos. Os pesquisadores acharam 30 sítios arqueológicos no Vale do Catimbau. Com isso, o Catimbau é considerado o segundo maior parque arqueológico do Brasil, perdendo somente para a Serra da Capivara, no Piauí. Um dos sítios arqueológicos mais importantes é o de Alcobaça, localizado em um paredão rochoso em forma de anfiteatro. As pinturas rupestres nesta localidade foram efetuadas por distintos grupos étnicos de épocas também distintas, apresentando diversidade nas técnicas e estilo de pintura. Dentro do parque há diversos pontos de visita, inclusive a Pedra Furada. Acredita-se que há milhares de anos o local onde fica a Pedra Furada era coberto pelo oceano e que a pedra se furou a partir da erosão causada pelo vento e pela água das chuvas. O vale do catimbau possui elevações com altitude de 900