Ải Chi Lăng cấu thành từ một thung lũng hẹp ép giữa hai dãy núi, phía Đông là dãy núi đất Bảo Đài-Thái Họa và phía Tây là núi đá Kai Kinh (Cai Kinh) dựng đứng. Con sông Thương ngoằn ngoèo chảy dọc theo thung lũng, bên con đường quốc lộ số 1A mà trước kia là đường cái quan lên biên giới, xuôi về kinh đô. Con đường sắt xuyên Việt với ga trung tâm là ga Trăm Năm (cách Hà Nội 105 km), được xây dựng từ thời Pháp thuộc tạo thuận lợi cho thông thương lên vùng Đông Bắc Việt Nam và ít nhiều làm giảm tính chất hiểm địa của cửa ải.
Những ngọn núi thấp rải rác dọc thung lũng và trấn ven đường cái quan như núi Hàm Quỷ, núi Phượng Hoàng, núi Kỳ Lân, núi Mã Yên. Đóng khóa hai đầu của thung lũng, nơi hai vòng cung núi đất phía Đông và núi đá phía Tây khép lại, là lũy Ải Quỷ phía Bắc và núi Ngõ Thề phía Nam, khoanh kín trong lòng một ải quan dài 5 km, rộng khoảng 3 km.
Tại Ải Chi Lăng còn có Thành Chi Lăng ở vào cây số 109 tính từ Hà Nội và tới cây số thứ 154 thì tới tỉnh lỵ Lạng Sơn,[1] theo Đi thăm đất nước của Hoàng Đạo Thúy. Theo Địa dư các tỉnh Bắc Kỳ, Thành cổ tại Ải Chi Lăng do quân Minh đắp trong thời gian xâm lược Việt nam có chu vi 154 trượng và cao 5 thước, nay chỉ còn nền cũ. Ở gần cửa Nam của thành còn phiến đá khắc 5 chữ Hoàng tráng nhị thập đội (nơi trú đóng của đội quân Hoàng tráng thứ 20).
Phía nam Ải Chi Lăng có hai khối đá lớn, một khối có hình dáng giống như thanh kiếm khổng lồ gọi là Lê Tổ Kiếm (thanh kiếm của vua Lê Thái Tổ) và một tượng đá có hình dáng như một người quỳ gối và bị cụt đầu gọi là Liễu Thăng Thạch (tức đá Liễu Thăng, ám chỉ tướng Liễu Thăng bị Lê Sát chém cụt đầu tại ải).