Der Kleine Kaukasus ist kein eigenständiges Gebirge, sondern ein Abschnitt der nordanatolisch-nordiranischen Kettengebirge mit Deckenbau und jungen Vulkanen. Die Bergketten des Kleinen Kaukasus umschließen das Armenische Hochland nach Norden und nach Osten.
Die Kura entspringt im Armenischen Hochland und durchbricht den zentralen Abschnitt des Kleinen Kaukasus in nördlicher Richtung. Nach Norden hin fällt der Kleine Kaukasus im Westen zur Kolchischen Tiefebene, im mittleren Abschnitt zum Kura-Tal und im Osten zur Transkaukasischen Senke ab. Im Westen grenzt der Kleine Kaukasus an das Pontische Gebirge.
Jenseits des Flusstals des Aras bildet das Gebirgssystem des Elbursgebirges die südöstliche Fortsetzung. Über den Gebirgskamm des Suramigebirges ist der Kleine Kaukasus mit dem im Norden parallel verlaufenden Großem Kaukasus verbunden. Der höchste Berg ist der Gamış dağı im Gebirgszug Murovdağ in Aserbaidschan (3724 m).