A Nave do Barão é um grande vale fechado que se estende por cerca de 4 quilómetros de comprimento e 1 km de largura máxima no Barrocal algarvio. Trata-se de uma depressão cársica, ou seja, que foi moldada ao longo de milhões de anos pela ação dissolvente da água sobre as rochas calcárias. Este tipo de formação tem um nome curioso: polje, que designa grandes planícies cársicas onde a água da chuva se acumula e esculpe o terreno lentamente.

O flanco norte da nave é delimitado por uma importante falha inversa — uma fratura na crosta terrestre onde um dos blocos de rocha foi empurrado para cima de outro ao longo da mesma. Esse movimento fez com que dois tipos de rochas entrassem em contacto direto: calcários e dolomitos, sendo estes últimos geralmente mais resistentes à erosão.

Essas rochas, que formam as encostas da Nave do Barão, datam de um mar antigo do Jurássico Inferior, ou seja, entre 201 e 175 milhões de anos atrás, numa época em que os dinossauros começavam a dominar o planeta.

O fundo da nave é coberto por uma camada argilosa avermelhada chamada terra-rossa, rica em nutrientes minerais e excelente para a agricultura. O fundo também retém bem a água da chuva, formando pequenos charcos temporários onde se encontram vários artrópodes característicos desses ambientes.