Reliéf Pálavy je výsledkem geologického základu a nejrůznějších sil, které v průběhu milionů let na horniny působily.

Bělostné vápence

Nejnápadnější a nejznámější částí chráněné krajinné oblasti Pálava jsou Pavlovské vrchy, které se táhnou od severu k jihu a zasahují i do přilehlé části Dolních Rakous. Celý tento hřeben představuje nejzápadnější výspu Karpat. Nejsevernější a nejvyšší část Pavlovských vrchů tvoří masiv Děvína (550 m n. m.) se zříceninou hradu Děvičky na nižším severním vrcholu nad Pavlovem. Na západě spadá do hluboké Soutěsky, která jej odděluje vysokými vápencovými skalami od sousedního masivu Kotle s vrcholy Obora (477 m n. m.) a Pálava (462 m n. m.), na jihozápadní straně ozdobeném skalami Martinky, Trůnu a dalšími. 

Nad Klentnicí se vypíná Stolová hora (459 m n. m.) s nápadnou vrcholovou plošinou, po níž dostala své jméno. Malé útesy Kočičí skály (362 m n. m.) a Kočičího kamene (352 m n. m.) jsou ze všech stran obklopeny poli a vinicemi. Město Mikulov leží v úžlabině mezi Turoldem (385 m n. m.), z něhož v důsledku těžby vápence zbyla pouze malá část, a Svatým kopečkem (363 m n. m.). Na ten navazoval Janičův vrch (Mariensberg), který se během 20. století téměř celý odtěžil. Nedaleko rakouské hranice, na dosah od hraničního přechodu Mikulov-Drasenhofen, se nachází Šibeničník (238 m n. m.). Z něj je vidět na další vápencové kopce na rakouské straně hranice – Kreuzberg či Falkenstein.

Ačkoliv vrchol Děvína není moc vysoký, jsou Pavlovské vrchy důležitou dominantou jižní Moravy. Je to především díky převýšení vůči okolní ploché až mírně zvlněné krajině; např. výškový rozdíl mezi vrcholem Děvína a hladinou Dyje u Dolních Věstonic je bezmála 390 metrů. Vápence jsou totiž tvrdé a poměrně odolné vůči erozi. 

Zvlněné pahorky


Východní část CHKO Pálava zahrnuje mírně členitou, částečně zalesněnou Milovickou pahorkatinu s hluboce zaříznutými údolími. Nejvyšší bod této části leží na vrcholu Stará hora (351 m n. m.) asi 3 km severoseverovýchodně od Mikulova. Zvlněné kopečky bez prudkých srázů naznačují, že Milovická vrchovina je tvořena měkčími horninami, které snadno podléhají erozi.

Údolní plošiny

Okrajově zasahuje CHKO Pálava na severu do Dyjsko-svratecké nivy, jejíž obraz byl značně pozměněn výstavbou novomlýnských vodních nádrží. Na jihu území CHKO zabíhá do Nesytské sníženiny kolem největšího moravského rybníka Nesytu, která je součástí Valtické pahorkatiny. Pro tyto části je typická rovina, okolo větších řek s nenápadnými zbytky říčních teras – pozůstatků z dob, kdy řeka tekla výše než dnes.