El parque abarca un área que se reparte entre el estado de Puebla y Veracruz, aunque el acceso general se realiza por la carretera Orizaba – Córdoba. Forma parte de la Sierra Madre Oriental en el área del Eje Neovolcánico.

Se destaca el volcán de forma cónica perfecta que los aztecas llamaron Citlaltépetl o “Cerro Estrella”, ya que en las noches de plenilunio la cima nevada refleja la luz de la luna y crea la impresión de ser una estrella. 

Con 5 747 msnm, es el más alto de México y cuenta con el nivel de vegetación arbórea de mayor altura de todo el mundo con los pinos hartweggi que aguantan cambios extremos de temperatura y bajos niveles de oxigenación. Aquí se localizan grandes vetas de obsidiana y cristal volcánico utilizados por las antiguas culturas para elaborar instrumentos y objetos de arte. 

En general el parque tiene un clima frío en las partes bajas y a partir de los 4000 msnm se pueden presentar nevadas. De hecho, la parte más alta con sus glaciares y nieves perpetuas no cuenta con vegetación. Y debido a que las acumulaciones de nieve y hielo llegan a tener espesores de entre 20 y 50 m, los glaciares son los más extensos del país.

Cuenta con un albergue alpino en la cara norte desde Coscomatepec y el Gran Telescopio Milimétrico ubicado a 4580 msnm, el más moderno y de mayor altura en su género.

Es un Parque Nacional con tres tipos de vegetación: páramo de altura, bosque de pino y bosque de oyamel.