Das Kelchsauer Tal liegt eingebettet in die Kelchsauer Alpen, die den westlichen Teil der Kitzbüheler Alpen bilden. Sie gehören geologisch zur Grauwackenzone, deren Berge auch als Schieferalpen bezeichnet werden und die sich von den Nördlichen Kalkalpen mit ihren Felsmassiven (z.B. Kaisergebirge) und den südlich angrenzenden überwiegend kristallinen Zentralalpen (Zillertaler Alpen) deutlich durch rundere Bergformen und sanftere Kuppen unterscheiden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Verwitterung und Abtragung in den mürben Schiefern und Phylliten der Grauwackenzone leichtes Spiel haben. Die geringere Wasserdurchlässigkeit der Schiefer gegenüber Kalkgestein ermöglicht bereits in höheren Regionen die Ausbildung von Quellen und Wasserläufen mit ihrer erodierenden Wirkung. Die weicheren Bergformen haben die Almwirtschaft begünstigt und ihnen deshalb auch den Beinamen „Grasberge“ eingetragen. Ihre touristische Bedeutung als Wander- und Skiberge ist bekannt.
Das Kelchsauer Tal erstreckt sich auf ca. 800 mNN in Süd-Nord-Richtung und mündet bei Hopfgarten (620 mNN) in das in Ost-West-Richtung streichende Brixental. Die westlichen Kammlagen erreichen mit dem Feldalphorn Höhen von 1926 m und dem Schwaiberghorn von 1989 mNN. Die östlichen Kammlagen erheben sich mit dem Lodron auf 1925 m und dem Steinbergstein auf 2215 mNN. An der Zwieselbrücke teilt sich das Kelchsauer Tal in den Langen und den Kurzen Grund. Den Talschluss des Langen Grundes bildet der Torhelm, mit 2494 mNN gleichzeitig der höchste Gipfel der Kelchsauer/Kitzbüheler Alpen. Den Kurzen Grund schließen eine Reihe von 2000-er Gipfel ab: Schafsiedel 2447 m, Kröndl-Horn 2444m, Tristkopf 2359 m und Salzachgeier 2469 m.
Die jahrhundertealte Berglandwirtschaft hat das Landschaftsbild des Kelchsauer Tales entscheidend geprägt und eine einzigartige Kulturlandschaft geschaffen, wenngleich steile Hanglagen, kurze Vegetationsperioden in der Höhe und oftmals abgeschiedene Lagen so manches Bewirtschaftungshindernis darstellen. Steillagen, die keine Wiesen- oder Weidewirtschaft mehr zulassen, sind mit einem Fichten-Bergwald bestockt. Die Waldgrenze mit Fichten und Lärchen wird etwa bei 1600 mNN erreicht. Die sich anschließende alpine Stufe wird durch das Auftreten von Zwergstrauchheiden (Alpenrosen) und alpinen Grasheiden gekennzeichnet, die eine vielfältige Alpenflora hervorbringen.
In den Hochlagen bereichern zahlreiche kleine Alpenseen das Landschaftserleben. Die bekanntesten sind die Wildalpen-Seen nahe der Neuen Bamberger Hütte .