I slutningen af sidste istid, hvor store dele af Nordjylland var dækket af Yoldiahavet, var Hammer Bakker en ø. Da andet i stenalderen igen blev oversvømmet, denne gang af Littorinahavet, bibeholdt bakkerne dog en fast forbindelse op til Vendsyssel. I dag fremstår Hammer Bakker som en rund, kuperet, skovbevokset bakke. Den består af sandede smeltevands- og moræneaflejringer og rager med en diameter på knap 5 km og et areal på ca. 1.800 ha mere end 80 m op over det omkringliggende flade landskab.
For stenalderens og bronzealderens bønder var de let skrånende jorder lette at opdyrke, og selv om jorden efterhånden blev udpint, fortsatte den landbrugsmæssige drift helt frem til slutningen af 1800-tallet. På det tidspunkt henlå kun de stejleste partier som overdrev og hede, og skoven var begrænset til tre mindre områder med et skovagtigt krat. I resterne af disse krat kan man i dag finde gamle flerstammede bøge, de såkaldte røllebøge, der er opstået pga. brændehugst og nedbidning af græssende husdyr.
De første egentlige skovplantninger i Hammer Bakker blev påbegyndt af Harald Branth i 1883 i det, som siden blev til Branths Plantage. Beplantningerne blev suppleret 1893‑1910, hvor sagfører Anders Olesen opkøbte store arealer i den sydlige del af bakkerne. Modsat Branth foretog han ikke selv beplantningen, men benyttede Hedeselskabet som plantør. Efter 2. Verdenskrig skete der igen skovrejsning i området, men tilplantningen stoppede i 1961, da bl.a. store dele af Hedeselskabets arealer i bakkerne blev fredet. Tilplantningen skete i begyndelsen overvejende med nåletræer, men siden er store arealer også blevet tilplantet med løvtræer.
Den nordlige del af Hammer Bakker er et massivt skovområde. Selv om skoven også dominerer i resten af området, veksler den her med mindre, dyrkede arealer, braklagte arealer, hedebakker og overdrev. Mens bakkerne helt mangler vandløb, har de haft fire søer: Søen, Brødland Mose, Pebermosen og Møgelmose. Med tiden udviklede de sig alle til moser, og selv om tørvegravning under de to verdenskrige igen skabte åbent vand i dele af moserne, er tørvemosser stille og roligt i gang med atter at lukke de frie vandflader til.
Plantelivet i Hammer Bakker rummer flere bemærkelsesværdige arter. På skyggede skrænter i skovene og på de gamle stendiger kan man bl.a. finde de sjældne bregner rundfinnet radeløv og bægerbregne, mens enekrat og dværgbuske som hedelyng, tyttebær, revling og blåbær dominerer på de åbne heder og overdrev. Dertil kommer planter som guldblomme, djævelsbid og nikkende kobjælde. Det store hedeareal i den østlige del af bakkerne holdes åbent ved fåregræsning, og de store, mandshøje ener vidner om, at bakkerne tidligere har været græsset af kreaturer.
Især skovbrynene og de åbne områder huser en rig og varieret bestand af dagsommerfugle. Blandt arter som spættet bredpande, foranderlig blåfugl, engblåfugl, violetrandet ildfugl, skovperlemorsommerfugl og okkergul randøje flyver også den sjældne brun pletvinge. Siden stævningsdriften i skovene ophørte, er brun pletvinge gået voldsomt tilbage og findes i dag kun spredt i Jylland.
Der er en stor bestand af råvildt i bakkerne, hvor også egern, ræv og grævling er almindelige. I skovene tæller ynglefuglene, ud over de almindelige skovfugle, bl.a. duehøg og hvepsevåge, mens den fåtallige hedelærke yngler med nogle få par i de mere lysåbne skovområder. I sæsonen er Hammer Bakker desuden et godt sted at samle svampe, og områdets almindelige spisesvampe omfatter bl.a. alm. kantarel, tragtkantarel, alm. pigsvamp, hummerskørhat og punktstokket indigorørhat.
Omkring 400 ha af Hammer Bakker er fredet. Fredningen består af tre adskilte områder. Det største område, som blev fredet i 1959 og 1961, ligger øst for vejen Gennem Bakkerne. Dertil kommer et 80 ha stort bakkeområde, som ejes af Botanisk Forening og blev fredet 1921 og 1961, samt Vestbjerg Bakker, som blev fredet i hhv. 1960 og 1965. Derudover er et 108 ha stort område i den sydøstlige del udpeget som habitatområde.