Facente parte del cosidetto Appennino siculo, insieme ai Peloritani, Nebrodi, e i rilievi montuosi della provincia di Trapani e del Palermitano, le Madonie sono comprese interamente nella provincia di Palermo. Situata nella Sicilia centro-settentrionale, si estende tra le valli dei fiumi Pollina ad est (da cui si dipartono i Nebrodi) e Imera ad ovest. A nord confinano con il mare Tirreno, mentre a sud comprendono i comuni di Castellana Sicula, Petralia Soprana e Sottana, Caltavuturo, Sclafani Bagni e Polizzi Generosa.
Da nord si susseguono i rilievi di "Pizzo Dipilo", il "Piano Zucchi", tra il rilievo di "Monte Cervi" e "Pizzo Carbonara" occupato da un altopiano con pareti a strapiombo verso ovest e nord. Sul gruppo montuoso di "Monte San Salvatore", che segue, comprensivo di diverse cime, spicca il "Monte Alto", su cui si erge il Santuario dedicato alla Madonna.
Sul versante settentrionale di Monte Cavallo e Monte Scalone crescono gli ultimi esemplari di Abies nebrodensis, abete neoendemico siciliano. Alla sommità del massiccio di "Pizzo Catarineci" si trova un'ampia prateria spesso frequentata dai cavalli.
Forse il rilievo più conosciuto delle Madonie è quello che si erge alla sua punta estrema a nord: la Rocca di Cefalù (di 270 m s.l.m).
Le Madonie, essendo ricche di fonti naturali, svolgono la funzione dell'approvviggionamento idrico della città di Palermo. Tra le fonti maggiori spicca quella di Scillato (con portata media attorno agli 800 l/s), da cui prende il nome l' omonimo acquedotto.