Das Obere Neckartal ist zunächst tief (150 bis 180 m) und eng in die umgebenden Muschelkalkplatten eingegraben. Bis Epfendorf bildet es ein mäandrierendes Kastental mit zahlreichen Umlaufbergen, im weiteren Verlauf ist das Tal in weniger widerständigen Gesteinen geräumiger und hat durch Terrassen gestufte Talhänge. Zahlreiche felsenreiche Seitentälchen führen zu den benachbarten Hochflächen hinauf. Bei Horb biegt das Tal von Norden nach Osten ab. Hier verstärkt sich der geräumige und gestreckte Charakter des Tals mit sanft geböschten unteren Hängen und Resten alter Talschlingen. Hinter Rottenburg öffnet sich eine breite Bucht, die der Neckar in einer kaum in den Gipskeuper eingetieften Talsohle durchfließt. Darüber liegen breite, lössbedeckte Schotterterrassen, die von sanften Hängen eingerahmt sind. Das Becken wird von zahlreichen kleinen Bächen zerschnitten, die vom nördlich gelegenen Rammert kommen. Im weiteren Verlauf wird das Neckartal wieder schmaler. Seine Zuflüsse zerschneiden die nördlich des Tals liegenden Liasplatten. Die Talsohle ist in diesem Bereich überwiegend feucht mit Gleyböden auf Auelehmen. Nach dem Eintritt in den Knollenmergel weitet sich die Talsohle wieder auf 1 bis 1,5 km. Über den niedrigen Hängen mit typischen Rutschungsformen liegen randliche Terrassen mit Schotterauflagen und Lösslehmdecken. Die steileren Lagen der Hänge sind v.a. im oberen Bereich der Landschaft mit Wäldern bestanden. Die Talsohle sinkt im gesamten Verlauf von etwa 550 m auf 250 m ü. NN ab.
Auf den schmaleren Bereichen der Talsohle dominiert Grünlandnutzung, wo es größere ebene Flächen gibt, befindet sich Ackerland. Vielfach wird die Talsohle auch von Siedlungsflächen eingenommen. In den breiteren Talbecken gibt es vereinzelt auch Kiesabbau.
Im Verlauf des Neckartals sind einige NSG ausgewiesen, z.B. die Talschlingen bei Dietingen oder die Talhänge bei Horb, die auch als FFH-Gebiet gemeldet sind. Teile der Landschaft wie z.B. Hirschauer Berg und ein Baggersee, beide in der Nähe der Ammermündung liegen in verschiedenen EU-Vogelschutzgebieten, deren größtes der "Schönbuch" ist. Wertvolle Lebensräume des Neckartals sind z.B. die Hänge im oberen Teil mit Magerrasen und wärmeliebenden Wäldern und die naturnahen bzw. extensiv genutzten Auenbereiche.