El nom de "Desert de les Palmes" prové de la presència d'una congregació carmelitana, orde que denomina "desert" a un lloc aïllat, allunyat de les temptacions mundanes, on es retiraven ermitans o ascetes dedicats a la vida meditativa espiritual. La segona part del nom és deguda a l'abundància del margalló (Chamaerops humilis), l'única palmera endèmica d'Europa.[3]
Es tracta d'una serra litoral paral·lela a la costa, situada en la zona més elevada de la Plana Alta, i marca la frontera entre el Pla de Cabanes al nord i la Plana de Castelló al sud. El seu cim és el pic de Bartolo, abans conegut com a munt de Sant Miquel,[3] amb 729 m sobre el nivell del mar; destaca també la Creu del Bartolo monument religiós erigit primer al mateix pic i després a prop.[3] Un altre element orogràfic singular és la falla que apareix al voltant del Castell de Montornés (Benicàssim).[4]
Tant la serra del Desert de les Palmes com la serra de les Santes formen part d'un plec anticlinal de materials del paleozoic.[4] És un dels dos únics llocs de la província de Castelló on apareixen les pissarres, que, amb el seu to negrellós, i juntament amb la roca roja del Triàsic, la grisenca del Juràssic i Cretaci, i el verd dels pins, doten la serra d'un ventall de colors impactants.[4][3]
Presenta un típic clima mediterrani amb un fort període de sequera durant l'estiu i amb pluges màximes a la tardor.
La vegetació del parc natural es troba en un estat de regeneració a conseqüència dels greus incendis que va sofrir entre 1985 i 1992,[3] però tot i així encara és molt interessant. El sòl existent permet el creixement de l'alzina surera i de la carrasca, però a causa de la transformació de l'ecosistema natural pels incendis i les transformacions agràries la seua presència és molt escassa. També hi ha arbusts com l'arboç, el marfull, el matapoll, l'aladern i canyes(Arundo donax).
La presència de la congregaciócarmelita ha dotat a la zona de dos importants monuments com són el Monestir antic i el Monestir nou. Degut a les necessitats econòmiques que sorgiren a finals del segle xix en la congregació carmelitana, es començà a produir una beguda a partir de diverses plantes de la serra anomenada licor carmelità.
