Su clima es mediterráneo de matiz continental, por lo que las temperaturas son extremas. Con veranos calurosos (temperaturas medias superiores a los 26º) e inviernos fríos (temperaturas medias mensuales inferiores a los 6º).

En consecuencia, el paisaje de la Mesa es austero, aunque esconde una riqueza natural muy importante, de la que se derivan varias figuras de protección medioambiental, que rompen la monotonía del horizonte, con zonas húmedas y facilitan la formación de pequeños bosquetes y curiosos ecosistemas locales.

El panorama está compuesto principalmente por páramos o “mesas”, con la presencia de riscos, cerros testigo (pequeñas elevaciones residuales en zonas llanas creadas por la erosión) y relieves en cuesta que se crean con la finalización de los páramos. Este paisaje sólo se rompe con los valles y barrancos creados por los ríos que atraviesan la comarca, donde también destacan las cárcavas de Juan Genaro formadas también por la erosión fluvial

El Tajo, atraviesa todo el norte del territorio de la Asociación Comarcal Don Quijote de este a oeste, desde el término municipal de Villarrubia de Santiago hasta Villasequilla. El resto de ríos y arroyos que atraviesan la comarca son afluentes del Tajo, a excepción de los que pasan por Lillo. Por tanto, todos los municipios pertenecen a la cuenca del Tajo, menos Lillo (al sur), que pertenece a la del Guadiana.

Por la parte oeste discurre el río Algodor, el afluente más caudaloso del Tajo que circula por la Mesa de Ocaña. Nace en Retuerta del Bullaque, en los Montes de Toledo, y continúa pasando por Villanueva de Bogas y Villamuelas, hasta desembocar en el Tajo por Aranjuez, unos kilómetros después de abandonar la comarca. A lo largo de su recorrido, en los años setenta se construyeron dos embalses que están dentro del territorio de La Asociación Comarcal Don Quijote: Castro en Villamuelas y Finisterre, parte del cual se encuentra en Villanueva de Bogas.

También existen algunos arroyos importantes, como el Martín Román, el Robledo y el Testillos. El primero, es un afluente del Tajo, que atraviesa casi toda la comarca de este a oeste por la parte central, naciendo en Villatobas, atraviesa los municipios de La Guardia, Dosbarrios, Huerta de Valdecarábanos, Villasequilla y Yepes,  hasta llegar a Aranjuez, donde desemboca en el Tajo. 

Además, entre La Guardia y Dosbarrios existen varias lagunas que tienen una gran importancia por su variedad faunística. Los arroyos Robledo y el Testillos, son afluentes del arroyo Martín Román, que desembocan en éste por el municipio de La Guardia y que continúan su trayectoria por la zona central de la comarca.

También Lillo destaca por sus lagunas: Longar, Altillo Grande, Altillo Chica y la Albardiosa. Son de tipo endorreico, formadas por la escasez de pendiente, lo que no permite evacuar el agua de precipitación https://www.aytodelillo.es/turismo-y-festejos/patrimonio-natural . Estas lagunas pertenecen a la Cuenca Hidrográfica del río Riansares, que pertenece a su vez a la cuenca del Guadiana y circula por el sur de Lillo, al este de las lagunas. También se localizan unas lagunas artificiales en Dosbarrios, las Lagunas de la Dehesa de Monreal y entorno lagunar denominado “la Senda de los pájaros” en La Guardia https://lagunasdelaguardiatoledo.com/, importantes por la existencia de especies faunísticas en vías de extinción.

Todos estos ríos, arroyos y lagunas, junto con los embalses y estanques, conforman la hidrología de la Mesa de Ocaña, la cual se ve afectada por las condiciones climáticas de la zona. Con más caudal y posibilidad de desbordamientos, en los meses más pluviosos: primavera y otoño, u carestías en los meses cálidos, llegando incluso desaparecer algunas lagunas.

Las formaciones vegetales dominantes son los encinares, los coscojales, los pinares y los matorrales.

Los encinares más característicos se localizan en los municipios de Santa Cruz de la Zarza  https://santacruzdelazarza.es/turismo-y-festejos/parajes-naturales-y-rutas-naturales y en Villatobas, en los cuales la principal formación arbórea es la encina (Quercusrotundifolia), acompañada por sotobosques con arbustos como torviscos (Daphne gnidium), espinos negros (Rhamnuslycioides) y jazmines (Jasminumfruticans) y con diversas especies de liana.

Aunque son los coscojales los que más predominan en la comarca, dominados por la coscoja (Quercuscoccifera), que está acompañada por algunas especies de lianas como la esparraguera (Asparagusacutifolius) y las rubias (Rubia peregrina) y otros arbustos esclerófilos. En los mismos dominios también se pueden encontrar retameras, donde predomina la retama común (Retama sphaerocarpa). Mientras que en los cerros dominan los pinares de pino piñonero (Pinuspinea) y pino carrascal (Pinushalepensis).

También están muy representados en la comarca los matorrales, que están dominados por especies como el romero (Rosmarinusofficinalis), la romerina (Cistusclusii) y la aulagares (Genista scorpius).

En las riberas de ríos y arroyos, se encuentran poblaciones de  álamos (Populus alba), chopos (Populusnigra), olmos (Ulmusminor) y sauces llorones (Salixbabylonica) y en las lagunas, especies asociadas a hábitats riparios: carrizos (Phragmitesaustralis) y eneas (Typhaspp.) .

Este entorno vegetal condiciona el hábitat una gran variedad de especies faunísticas, destacando las aves. Las más abundantes son la avutarda común (Otis tarda), el mochuelo europeo (Athenenoctual), el búho real (Bubo bubo), el autillo europeo (Otusscops) y la chova pitirroja (Phyrrocoraxphyrrocorax) y otras especies importantes como el halcón peregrino (Falco peregrinus) por su escasez y la collalba negra (Oenantheleucura), que tiene en esta zona su hábitat más septentrional de la península.

Aunque la fauna más representativa de la comarca y que más destaca por su importancia cinegética son algunos mamíferos como el conejo (Oryctolaguscuniculus), la liebre (Lepusgranatensis) y el jabalí (Sus scrofa) y algunas especies aves como la perdiz roja (Alectoris rufa).

Por último, en los humedales y en las zonas de ribera también existen algunas especies de anfibios como la rana común (Pelophylaxperezi) y el sapo común (Bufo bufo) y otras algunos reptiles como la lagartija colilarga (Psammodromusalgirus) y la culebra de escalera (Rhinechisscalaris).

También destaca la fauna de las lagunas de Lillo  , ya que acogen una gran variedad de aves acuáticas migratorias, entorno lagunar denominado “la Senda de los pájaros” en La Guardia  y la de las Lagunas de la Dehesa de Monreal, que acogen una ave acuática en peligro de extinción: la malvasía cabeciblanca (Oxyuraleucocephala) .