เป็นเทือกเขาสูงสลับซับซ้อน โดยมีเทือกเขาทอดตัวเป็นแนวยาว ในแนวเหนือ - ใต้ ความยาวประมาณกว่า 70 กิโลเมตร มีความสูงจากระดับน้ำทะเลประมาณ 400-1,700 เมตร มีบริเวณ "ยอดดอยหลวง" เป็นพื้นที่สูงที่สุดประมาณ 1,694 เมตร และสภาพดินเป็นดินลูกรังผสมหินโดยเฉพาะบนยอดเขา ส่วนบริเวณหุบเขาจะมีดินสีดำอุดมไปด้วยแร่ธาตุ และหินมีลักษณะเป็นหินกรวดหรือหินปูนทราย เป็นป่าต้นกำเนิดของแม่น้ำวัง น้ำแม่ลาวใน จังหวัดเชียงราย และกว๊านพะเยา ในจังหวัดพะเยา

อุทยานดอยหลวงได้รับการจัดตั้งเป็นอุทยานแห่งชาติลำดับที่ 61 ของประเทศไทยเมื่อวันที่ 16 เมษายน พ.ศ. 2533