Martorell se encuentra a caballo de dos grandes unidades geológicas y morfoestructurales: los relieves del sur del municipio, que forman parte del flanco noroeste de la Cordillera Litoral, y todo el sector norte, más llano, situado en la fosa tectónica o depresión del Vallès-Penedès.
La geomorfología del municipio ha sido modelada por la dinámica fluvial generada por la erosión y los sedimentos aportados por los ríos Llobregat y Anoia, y sus afluentes.
El Patrimonio Natural de Martorell es rico y diverso, en gran parte compartido con los municipios vecinos. Estos espacios deben hacer frente a una fuerte presión urbanística y de uso, así como al paso de numerosas infraestructuras. El crecimiento de la población revaloriza estos entornos, convirtiéndolos en un tesoro natural que hay que proteger para que las futuras generaciones puedan disfrutarlo.
Aunque el municipio no cuenta con ninguna zona incluida en el Plan de Espacios de Interés Natural (PEIN) del Departamento de Medio Ambiente y Vivienda de la Generalitat de Catalunya, sí dispone de dos áreas protegidas. En primer lugar, todo el tramo del río Llobregat hasta el Congost forma parte de la zona Montserrat-Roques Blanques-Riu Llobregat de la Red Natura 2000, que incluye hábitats de interés comunitario, zonas de interés para especies de valor comunitario y áreas de protección para aves. La conservación de los cursos fluviales es esencial para mantener la conectividad de los espacios naturales.
En segundo lugar, el Parc Forestal de Can Cases disfruta de una figura de protección superior a la local, reconocida por la Generalitat como bosque de utilidad pública de interés social y recreativo, consolidando así la importancia del Patrimonio Natural de Martorell dentro del territorio.

El Parque Forestal de Can Cases es un espacio esencial para el municipio de Martorell, tanto por su consideración como bosque de utilidad pública como por su función recreativa y como escenario para la realización de actividades de educación ambiental.
Este equipamiento dispone de barbacoas, mesas de picnic, áreas de juegos infantiles, aparcamiento y zona deportiva con pista de baloncesto y fútbol. Can Cases es una buena zona para actividades deportivas al aire libre, como paseos, footing, bicicleta de montaña, paseos a caballo, entre otras.
También es un buen lugar para la observación de la vegetación. El alcinar típico mediterráneo es la comunidad más representativa, así como el bosque de ribera situado en los márgenes de los cursos de agua. El parque también presenta coníferas y otros árboles de ribera. En cuanto a la fauna, se han observado más de 70 especies de aves y 30 especies de mariposas, así como algunos anfibios y reptiles típicos de lugares mediterráneos, como la tortuga de río, y mamíferos como tejones, zorros, ginetas, musarañas y jabalíes.
Desde mayo de 2014, el parque dispone de un circuito de orientación de unos 2,5 km que transcurre por caminos y senderos bien señalizados.

La zona montañosa de Martorell se concentra en el sur del municipio, donde la cresta marca el límite del término municipal.
Numerosos caminos y senderos atraviesan esta parte de la montaña, que limita con el espacio protegido de las Montañas de l’Ordal y constituye un excelente mirador para contemplar todo el municipio y gran parte del norte de la comarca.
La Sierra de les Torretes corresponde mayoritariamente a la cara norte de la Sierra de l’Ataix. Antiguamente estaba ocupada por viñedos y, hoy, por bosques de matorrales y pinos.
En julio de 2021, un verano especialmente seco, se produjo un incendio que quemó gran parte de la cara norte.
Del tiempo en que se cultivaban los viñedos quedan numerosos vestigios, así como restos de minas de agua. Por su función de conexión entre el Ordal y el Vallès, se puede considerar este territorio como parte del corredor biológico del conjunto de cauces de los ríos Anoia y Llobregat.
La Sierra de les Torretes es un buen mirador sobre Montserrat y Martorell y recibe el nombre de las torres de vigilancia que se construyeron para vigilar posibles invasiones. Por este motivo, en 2021 se habilitó un mirador en la Torre Griminella.