La sierra de Atapuerca es un pequeño conjunto montañoso situado al norte de Ibeas de Juarros, en la provincia de Burgos (Castilla y León, España), que se extiende de noroeste a sudeste, entre los sistemas montañosos de la cordillera Cantábrica y el Sistema Ibérico. Ha sido declarado Espacio de Interés Natural, Bien de Interés Cultural y Patrimonio de la Humanidad como consecuencia de los excepcionales hallazgos arqueológicos y paleontológicos que alberga en su interior, entre los cuales destacan los testimonios fósiles de, al menos, cuatro especies distintas de homínidos: Homo sp. de la Sima del Elefante, Homo antecessor, Homo heidelbergensis y Homo sapiens.

La sierra está compuesta de una pequeña colina —correspondiente a un anticlinal tumbado (vergencia NE y dirección ibérica NNW-SSE)— formada por calizas, arenas y areniscas de origen marino pertenecientes al Cretácico Superior (entre 80 y 100 millones de años), cubiertas por los materiales aportados por el río Arlanzón, que ha formado numerosas terrazas aluviales en época Cuaternaria. La parte más elevada de esta colina está totalmente plana, rasgo indicativo de que ha sufrido una fuerte erosión desde hace varios millones de años.

Alrededor de la sierra, y sobre este anticlinal, existen materiales de origen continental más modernos, correspondientes a la época terciaria (hace entre 25 y 5 millones de años). Sus componentes son conglomerados de caliza y arcillas rojas del Oligoceno, bajo una secuencia de margas, arcillas, yesos y paquetes calizos y margosos, propios del antiguo ambiente lacustre de la Cuenca del Duero.

Durante finales del Plioceno e inicios del Pleistoceno, empieza a formarse el valle fluvial del Arlanzón, habiendo creado a su paso por la sierra, 15 niveles de terrazas cuaternarias muy asimétricas. La subidas de las aguas del río y la estructura caliza han dado lugar a un complejo kárstico con multitud de cuevas, muchas de ellas abiertas al exterior por diversas causas (derrumbes, cortes...). Por estas aberturas se han ido depositando diferentes sedimentos a los largo de los años: tierra, polvo, polen, restos animales, excrementos..., hasta llegar, en muchos casos, a colmatar las entradas y, en otros, éstas han quedado cegadas por derrumbes posteriores, preservando el interior intacto hasta que surgieron nuevas aberturas. Esto ha permitido la conservación de restos y fósiles de homínidos en las numerosas cuevas bajo los bosques de Atapuerca, protegiéndolos de cambios bruscos de temperatura y humedad.

El Consejo de Gobierno de la Junta de Castilla y León, en su reunión del día 26 de julio de 2007, acordó la declaración como Espacio Cultural del Bien de Interés Cultural "Sierra de Atapuerca" en Burgos.