El cordón montañoso del oeste de Argentina que se extiende, de norte-noreste a sur-suroeste y a lo largo de 175 km, por el norte de la provincia de La Rioja, al poniente de la capital y dentro del ámbito regional de las Sierras pampeanas. Su eje principal es levemente cóncavo hacia el este, debido a una desviación de su porción austral. Éste último tiende a seguir el rumbo de la sección meridional de la sierra de Famatina.
En su sector central la sierra de Velasco está integrada por una única cadena, esencialmente de granito intrusivo en rocas metamórficas, que se eleva hasta los 4.000 m, para luego descender paulatinamente hacia sus extremos norte y sur. En el tramo norte la sierra es bifurcada por el valle longitudinal del río Sauce. De igual modo, queda bifurcada en su sector austral por dos valles.
Esta alineación montañosa posee, en toda su longitud, un solo paso importante, la denominada cuesta de Yacuchiri, a 2.200 metros. El flanco oriental, el más inclinado, está formado por esquistos cristalinos, mientras en el occidental, junto a los esquistos, es muy frecuente el granito gnéisico. Ambos flancos presentan largos trechos abruptos y ásperos.