W skład Wzniesień Zielonogórskich wchodzą cztery mezoregiony: Wzniesienia Gubińskie, dolina dolnego Bobru, Wysoczyzną Czerwieńska i Wał Zielonogórski. Zachodnią granicę krainy stanowi dolina dolnej Nysy Łużyckiej, północną – dolina środkowej Odry, a północno-wschodnią – Kotlina Kargowska. Na południu Wzniesienia Zielonogórskie graniczą z Obniżeniem Nowosolskim i Kotliną Zasiecką.
Podczas plejstoceńskich zlodowaceń uformował się zalążek dzisiejszych Wzniesień Zielonogórskich w postaci wydłużonego glacitektonicznego wypiętrzenia, widocznego obecnie w rzeźbie w postaci Wału Zielonogórskiego. Powstał on, gdy nasuwający się lądolód zdzierał zgromadzone wcześniej osady i fałdował je, formując długi wał. W jego jądrze znajdują się trzeciorzędowe skały z eksploatowanym do niedawna węglem brunatnym. Wysokość wału w najwyższym punkcie wynosi 221 m, a wysokości względne sięgają 100 m. Gdy lądolód północnopolski fazy leszczyńskiej wkraczał do Polski, jego jęzor oparł się o istniejący już w terenie Wał Zielonogórski. Podczas ocieplenia klimatu na przedpolu wału lądolód zaczął topnieć. Jego czoło powoli rozpadało się na płaty martwego lodu. W stale poszerzanych szczelinach między bryłami krążyła woda, osadzając piaski i żwiry. Po stopnieniu lodu w krajobrazie pojawiły się nowe formy – kemy. Wzbogacał się on również o wzgórza morenowe i rozległe równiny sandrowe z płytkimi zagłębieniami bezodpływowymi (na zachód od Zielonej Góry).
Rzeka Bóbr pracowicie niszczyła teren, kierując swoje wody ku Odrze. Dziś 30-kilometrowa dolina dolnego Bobru malowniczo rozcina Wzgórza Zielonogórskie. Rzeka na tym odcinku ma dość duży spadek, od 72 m w Krzywańcu poniżej Nowogrodu Biebrzańskiego do 37 m przy ujściu, co wykorzystano przy budowie elektrowni wodnych w Dychowie i Raduszcu Starym. Śladem obecności lądolodu na terenie Wzniesień Zielonogórskich są również niewielkie, dość płytkie jeziorka rozsiane po całym obszarze. Największe z nich to Jańsko o powierzchni 1,5 km2. Do mniejszych można zaliczyć Wełmicko i Płaszno. Jeziora są okolone szuwarem kłodowym oraz unikatowymi zbiorowiskami roślinności torfowiskowej.