El sistema montañoso del norte de España que se extiende unos 480 km hacia el este desde las serranías más orientales del macizo Asturiano, hasta las sierras vascas que dan paso a las primeras estribaciones de los Pirineos, discurriendo de forma paralela al mar Cantábrico, en la vertiente norte, donde presenta un destacado desnivel, pasando del nivel del mar a cumbres de más de 2.000 m en tan sólo unas decenas de kilómetros; la vertiente meridional aparece como el reborde montañoso de la meseta Central, por el que el desnivel es mucho menos acusado. El 60% de sus aguas vierten directamente al Cantábrico, mientras que el 40% lo hacen hacia el interior, principalmente hacia el Duero, aunque también lo hacen hacia el Miño, el Sil o el alto Ebro. En su interior se localiza una de las principales cuencas mineras de España (hulla, hierro, plomo, cinc, sal o magnesio). Tres sectores constituyen este sistema montañoso, de oeste a este: el macizo Asturiano, la montaña Cántabra y los montes Vascos.
El macizo Asturiano no forma una línea montañosa continua, pues está compuesto por distintas alineaciones montañosas que disminuyen de altura de este a oeste, donde se establece su límite en los páramos de León y Palencia. Entre ellas se encuentran los Picos de Europa, donde se alcanza la máxima altura de la cordillera Cantábrica en Torre Cerredo (2.648 m), siendo muy frecuentes las alturas superiores a los 2.400 metros. Los distintos conjuntos montañosos que conforman el macizo Asturiano están separados entre sí por collados o puertos entre 1.300 y 1.600 m, a través de los cuales se establecen los contactos entre la Meseta y la costa asturiana; el más utilizado es Pajares (1.379 m). Los ríos Sella, Nalón, Narcea y Nevia son los más destacados en la vertiente marítima.
Tanto las montañas cántabras como las vascas tienen una extensión total más reducida y una altitud notablemente inferior, pues no sobrepasan los 1.750 m; su organización también es muy compleja, careciendo —al igual que en el caso anterior— de una estructura organizada. En la zona oriental (en Cantabria y norte de la provincia de Burgos), las cadenas montañosas apenas sobrepasan los 1.500 m, siendo el Castro Valuera (1.700 m) la mayor altitud; están muy cercanas a la costa, formando los ríos Saja, Besaya, Pas y Asón entre otros profundos valles; destaca el puerto de El Escudo (1.010 m).
Al este del Asón comienzan los montes Vascos, cuya altitud máxima está en los 1.544 m del pico Aitzgorri, que oscilan entre los 1.100-1.200 m, descendiendo hacia el este; son de una mayor complejidad y los ríos más importantes que los drenan son el Nervión, Deva, Oria y Urumea, entre otros. Los puertos no sobrepasan los 750 m; los más importantes son Orduña y Urquiola.
