Północną fizycznogeograficzną granicę Doliny Kościeliskiej tworzy Droga pod Reglami.
Ma liczne boczne odgałęzienia, największe z nich to Dolina Miętusia, Dolina Tomanowa i Dolina Pyszniańska (Pyszna). Pozostałe większe odgałęzienia to: Żeleźniak, Żleb pod Wysranki, Wąwóz Kraków, Wściekły Żleb, Zastolański Żleb, Dolinka Iwanowska, Dolina Smytnia. Dnem doliny płynie Kościeliski Potok.
Najwyższym punktem w otoczeniu Doliny Kościeliskiej jest Błyszcz (2159 m). Z doliny jest widoczna, choć nie leży bezpośrednio nad nią, Bystra (2248 m) – najwyższy szczyt Tatr Zachodnich. Wylot doliny znajduje się w Kirach na wysokości około 927 m, tak więc deniwelacja doliny wynosi 1232 m.
Dolna i środkowa część Doliny Kościeliskiej tworzy długi i głęboki wąwóz skalny, ściany którego w trzech miejscach zwanych „bramami” zbliżają się blisko do siebie. Są to: Niżnia (Brama Kantaka), Pośrednia (Brama Kraszewskiego) i Wyżnia Kościeliska Brama (Brama Raptawicka){.