Martorell es troba a cavall de dues grans unitats geològiques i morfoestructurals: els relleus del sud del municipi, que formen part del vessant nord-oest de la Serralada Litoral, i tot el sector nord, més planer, situat a la fossa tectònica o depressió del Vallès-Penedès.
La geomorfologia del municipi ha estat modelada per la dinàmica fluvial generada per l’erosió i els sediments aportats pels rius Llobregat i Anoia, i els seus afluents.
El Patrimoni Natural de Martorell és ric i divers, en gran part compartit amb els municipis veïns. Aquests espais han de fer front a una forta pressió urbanística i d’ús, així com al pas de nombroses infraestructures. El creixement de la població revaloritza aquests entorns, convertint-los en un tresor natural que cal protegir perquè les futures generacions en puguin gaudir.
Encara que el municipi no té cap zona inclosa dins del Pla d’Espais d’Interès Natural (PEIN) del Departament de Medi Ambient i Habitatge de la Generalitat de Catalunya, sí que compta amb dues àrees protegides. En primer lloc, tot el tram del riu Llobregat fins al Congost forma part de la zona Montserrat-Roques Blanques-Riu Llobregat de la Xarxa Natura 2000, que inclou hàbitats d’interès comunitari, zones d’interès per a espècies de valor comunitari i àrees de protecció per a aus. La conservació dels cursos fluvials és essencial per mantenir la connectivitat dels espais naturals.
En segon lloc, el Parc Forestal de Can Cases gaudeix d’una figura de protecció superior a la local, reconeguda per la Generalitat com a bosc d’utilitat pública d’interès social i recreatiu, consolidant així la importància del Patrimoni Natural de Martorell dins del territori.

El Parc Forestal de Can Cases és un espai essencial per al municipi de Martorell, tant per la seva consideració de bosc d’utilitat pública com per la seva funció de lleure i com a escenari per a la realització d’activitats d’educació ambiental.
Aquest equipament disposa de barbacoes, taules de pícnic, àrees de jocs infantils, aparcament i zona esportiva amb pista de bàsquet i futbol. Can Cases és una bona zona per a activitats esportives a l’aire lliure, com ara passejades, footing, bicicleta de muntanya, passejades a cavall, entre d’altres.
També és un bon indret per a l’observació de la vegetació. L’alzinar típic mediterrani és la comunitat més representativa, així com el bosc de ribera situat als marges dels cursos d’aigua. El parc també presenta coníferes i altres arbres de ribera. Pel que fa a la fauna, s’hi han observat més de 70 espècies d’ocells i 30 espècies de papallones, així com alguns amfibis i rèptils típics d’indrets mediterranis, com la tortuga de rierol, i mamífers com toixons, guineus, genetes, musaranyes i senglars.
Des de maig de 2014, el parc disposa d’un circuit d’orientació d’uns 2,5 km que discorre per camins i senders ben senyalitzats.

La zona muntanyosa de Martorell es concentra al sud del municipi, on la carena fa de límit del terme municipal.
Nombrosos camins i senders creuen aquesta part de la muntanya, que limita amb l’espai protegit de les Muntanyes de l’Ordal i constitueix una excel·lent atalaia per contemplar tot el municipi i bona part del nord de la comarca.
La Serra de les Torretes correspon majoritàriament a la cara nord de la serra de l’Ataix. Antigament estava ocupada per vinyes i, avui, per boscos de matolls i pins.
Al juliol de 2021, un estiu especialment sec, hi va haver un incendi que va cremar una bona part de la cara nord.
Del temps en què es conreaven les vinyes en queden nombrosos vestigis, així com restes de mines d’aigua. Per la seva funció de connexió entre l’Ordal i el Vallès, es pot considerar aquest territori com a part del corredor biològic del conjunt de lleres dels rius Anoia i Llobregat.
La Serra de les Torretes és un bon mirador sobre Montserrat i Martorell i rep el nom de les torres de guaita que s’hi varen edificar per vigilar possibles invasions. Per aquest motiu, l’any 2021 es va habilitar un mirador a la Torre Griminella.