Im Oberrheintiefland liegt der scharf gegen seine Umgebung abgegrenzte, geologisch uneinheitlich aufgebaute Gebirgsstock des Kaiserstuhls. In der Hauptsache ist er vulkanischen Ursprungs, im östlichen Teil jedoch auch aus tertiären Kalken, Mergeln und den Bruchstücken von Juraschollen aufgebaut. Die höchste Erhebung ist der Totenkopf mit 557 m ü. NN. Eine mächtige Lössschicht mit ihren fruchtbaren Böden und das trockene, sommerwarme Klima prägen das Gebiet. Als Teillandschaften sind aufgrund der Höhenstufung und des geologischen Untergrundes der hohe, westliche und östliche Kaiserstuhl auszugliedern. Landschaftlich charakteristisch sind insbesondere Hohlwege, wasserlose Täler und Terrassen. Die Kuppen und einzelne Steilhänge sind bewaldet, ansonsten herrschen Weinbauflächen vor.
Das Bild der bäuerlichen Kulturlandschaft bestimmen der Wein- und Obstbau. Hierzu wurden teilweise im Löss künstliche Terrassen angelegt. Weiterhin ist der Kaiserstuhl ein wichtiges Nah- und Fernerholungsziel mit zahlreichen Wanderwegen. Die Höhenzüge werden zum Teil forstwirtschaftlich genutzt. Eine ausgeprägte Landwirtschaft gibt es nicht.
Der Kaiserstuhl gehört aufgrund seiner besonderen klimatischen Bedingungen trotz der geringen Größe aufgrund des Artenreichtums zu den für den Naturschutz in Deutschland besonders wichtigen Bereichen. Aufgrund des Wassermangels sind Flaumeichenwälder, Magerrasen und Trockenbiotope mit landesweit herausragendem Artenreichtum vorzufinden. Zahlreiche bedrohte und seltene Arten dieser Trockenlebensräume haben in dieser Landschaft einen wichtigen Verbreitungsschwerpunkt, z.B. das südwestdeutsche Grünwidderchen (Adscita mannii) und einige Wildbienenarten (Colletes hylaeiformis und Lassioglossum albocinctum). Aber auch die reich strukturierten Wälder bieten mit ihren Saumgesellschaften bedeutsame Lebensräume. In den Streuobstbeständen finden sich Holzkäferarten und Lanius senator (Rotkopfwürger). Weite Bereiche des Kaiserstuhls liegen im gleichnamigen EU-Vogelschutzgebiet und sind in kleineren Teilen auch FFH-Gebiet.