Ontstaan
IJs, smeltwater en wind hebben de Heuvelrug haar vorm gegeven. Tijdens de voorlaatste ijstijd (tot zo'n 130.000 jaar geleden) rukte het Scandinavische landijs in Nederland op tot aan de lijn Haarlem-Utrecht-Nijmegen. De honderden meters dikke gletsjer ploegde zich daarbij door een vlakte van riviersediment, waarbij de ondergrond werd opgestuwd.
Stuwwallen
In bepaalde perioden was de afsmelting zo groot dat de ijstongen zich tijdelijk terugtrokken. In koudere perioden drukten de ijstongen weer verder, daarbij nieuwe stuwwallen vormend. De Heuvelrug is zodoende een complex van stuwwallen, opgebouwd uit materiaal aangevoerd door de rivieren uit Midden-Europa (eerder nog uit de huidige Baltische zee) en door het ijs uit Noord-Europa (waaronder de zogeheten zwerfkeien).
Dalen en dekzand
De woeste hoogten en scherpe contouren van toen zijn in de loop der duizenden jaren geërodeerd. Te beginnen door de enorme hoeveelheden smeltwater, die geulen als de huidige Darthuizer Poort vormden. Het weggespoelde materiaal bezonk aan de voet van de stuwwallen en vulden zo de dalen. Tijdens de laatste ijstijd (tot 10.000 jaar geleden), zeker zo koud als de vorige maar zonder dat het landijs Nederland bereikte, voerden poolwinden zand aan vanuit het drooggevallen en onbegroeide Noordzeebekken. Nederland, waaronder de Heuvelrug, kreeg een laag dekzand.
Landgoederen
De cultuurhistorie van veel bossen op de Heuvelrug is goed af te lezen aan de lanenstructuur. De bossen zijn ooit aangelegd als deel van een landgoed. Behalve fraaie landschappen heeft de aanleg ervan ook mooie bouwwerken opgeleverd. Met name op de flanken en in de Laagte van Pijnenburg (ter hoogte van Soest) staan herenhuizen en zelfs kastelen.
Stichtse Lustwarande
De Stichtse Lustwarande is een gordel van buitenplaatsen langs de zuidwestflank van de Heuvelrug, tussen De Bilt en Rhenen, die zijn weerga in Nederland niet kent. Kenmerkend voor de Lustwarande zijn de afwisseling in open landschap (akkers en weides) en dicht landschap (bossen), de fraaie buitenhuizen en de tuinen die zijn aangelegd in Engelse landschapsstijl.