El área protegida se encuentra en el centro oeste de la provincia de La Rioja. Abarca una superficie de 215.000 hectáreas.
En 1975 se creó el Parque Provincial Talampaya, teniendo como objetivo central la conservación de importantes yacimientos paleontológicos y arqueológicos.
Debido a la relevancia conservacionista del lugar y su potencial turístico, Talampaya fue incorporado en 1997 al Sistema de Parques Nacionales de la Argentina.
Tanto el Parque Nacional como la colindante Reserva Provincial de Ischigualasto, constituyen un sitio de gran importancia mundial por la abundancia de yacimientos paleontológicos y arqueológicos que albergan; motivo por el cual fueron declarados por la UNESCO como Patrimonio de la Humanidad.

A cielo abierto, sobre los paredones verticales y grandes rocas, se halla una gran cantidad de grabados figurativos -antropomorfos y zoomorfos- y abstractos -geométricos diversos- que expresan una fusión armónica entre naturaleza y cultura, siendo este lugar uno de los más relevantes del arte rupestre argentino.
El área protegida corresponde a una muestra de monte y se encuentra en las eco-regiones de monte de sierras y bolsones, pre-puna y chaco seco.
La eco-región montes de sierras y bolsones está compuesta por una región árida con amplia diversidad geológica y geomorfológica. Ocupa faldeos y valles intermontanos, y planicies de escasa pendiente que forman cuencas cerradas o semicerradas. Los suelos son mayormente arenosos, pobres en materia orgánica y salinos.
La eco-región chaco seco está compuesta por una v asta planicie con suave pendiente hacia el Este. Dominan los bosques xerófilos y según el distrito sabanas y pastizales.

En la zona se encuentran amplios sectores de escasa vegetación denominados huayquerías. También son abundantes las formaciones de areniscas y rocas de formas extrañas, como en el área conocida como la Ciudad Perdida.
La vegetación predominante es arbustiva, rala y achaparrada. Las plantas características de estos desiertos son el retamo, las jarillas, la brea y las cactáceas, como los "puquis" y varios cardones.
En los faldeos serranos crece la chica, que es un arbolito endémico de La Rioja, San Juan y San Luis.
Sobre los cauces temporarios se desarrollan bosques abiertos con algarrobos y en la zona de Los Cajones molles de beber.
El retamo, la chica y la verdolaga son especies exclusivas del país.
Entre los componentes de la fauna es frecuente encontrar en las cercanías de la entrada al parque zorros grises, chuñas de patas negras y calandrias mora.
Los altos paredones son utilizados como apostaderos por varias rapaces como el cóndor andino, el águila mora y el halcón peregrino. También es aprovechada como morada por el chinchillón.
Las aves propias del lugar son el gallito arena o "pampa-guanaco", el canastero rojizo y el cacholote pardo.
Entre los mamíferos se encuentra el pichi-ciego o "intiquirquincho", un pequeño armadillo de hábitos subterráneos.