Ubicado al noroeste del territorio provincial, el departamento de Santa Catalina tiene una superficie de 2960 kilómetros cuadrados; se encuentra a un promedio de 3800 metros sobre el nivel del mar y fue creado por Ley Provincial del 13 de noviembre de 1899, que fijó los límites de la siguiente forma: al noroeste con la República de Bolivia; al oeste, también con Bolivia a través de la sierra de Hornillos, otros cerros de la Cordillera y el río Grande de San Juan; al este con el departamento Yavi por los ríos Corral Blanco y Sarcari y la Laguna de Pozuelos y al sur con el departamento Rinconada a través de los arroyos Guayatayoc y Chuspinayo y los ríos San Juan Mayo, Granadas y Queñoal.
      La cabecera del departamento es la localidad de Santa Catalina, fundada en el siglo XVII, poseedora de un rico acervo histórico que se expresa, por ejemplo, en la antigüedad y características del edificio de la iglesia en honor a la Virgen de Canchillas. El pueblo está a 67 kilómetoros de la ciudad de La Quiaca por la ruta provincial 5 y a 10 de la frontera con Bolivia. Algunas de localidades que se ubican en su territorio son: Casira (conocida por sus piezas de alfarería, especialmente las ollas), Cieneguillas, El Angosto, Timón Cruz, Piscuno, Yoscaba, Misarrumi, Oratorio, Cusi Cusi, San Juan de Oros, Paicone, Pueblo Viejo, Chusimayo, Oros y La Perdida.
      El relieve es el típico del altiplano: una llanura elevada, con cordones montañosos de distintas alturas, en los que se destacan los siguientes picos: cerro Ramadas, de 5540 metros de altura; cerro Crucesnioc, de 5504 metros; Vicuña Huasi, 5309 metros; Panizos, 5228 metros; Limitajo, 5158; Palta Loma, 4851; Torre Loma, 4638; Tanquis, 4443.
En cuanto a los ríos, aparte de los mencionados anteriormente, es importante el Santa Catalina en el que, en las inmediaciones del pueblo, se pueden pescar truchas. También se pueden pescar en el río Queñoal, en Cusi-Cusi, pueblo en el que además se puede disfrutar de las aguas termales. Hay también algunas pequeñas lagunas, como la de Tanquis y la laguna Murmunto. También alberga una parte del Monumento Natural Laguna de Pozuelos, declarado por el Gobierno Nacional en el año 1981, ya que se encuentra sobre una superficie compartida por los departamentos de Santa Catalina, Rinconada y Yavi. Ésta laguna fue también incluida en la Lista de Humedales de Importancia Internacional en la Convención Ramsar y, además, el Consejo Internacional Coordinador del Programa El Hombre y la Biosfera de la UNESCO aprobó, en 1990, su inclusión en la red mundial de reservas bajo la designación Reserva de la Biosfera de Pozuelos.
      Recorren el territorio del departamento las rutas provinciales 5, 7, 64, 65, 66, 69,76, 85, 86 y 87.
      El clima es el propio de la Puna: frío y seco, de temperaturas extremas, con escasas precipitaciones en verano. En cuanto a la diversidad vegetal hay tola (Colletia ferox), queñoa (Polylepis tomentella), yareta (Azorella yareta). En el pueblo de Santa Catalina, además, desde tiempos lejanos se mantienen pequeñas quintas de duraznos, ciruelas y manzanas y de verduras para el consumo familiar; también cuenta con el Jardín Botánico de Altura “Lucía Rueda”, inaugurado el 15 de agosto de 1979. Se trata de un pequeño parque de alrededor de 100 metros cuadrados, con numerosas y variadas  especies de plantas de altura como el ayrampo (Opuntia soehrensis), el cardón (Trichocereus pasacana) y otras, destacándose asimismo algunas totalmente foráneas como álamos altos y olmos siberianos. La fauna se reduce, aparte de la cría de la llama (Lama Glama) y la cabra (Capra aegagrus hircus), a la vicuña (Vicugna vicugna), zorro (Dusycion culpeus), vizcachas (Lagidium viscacia) y, en la Laguna de Pozuelos, flamenco austral (Phoenicopterus chilensis), parina chica (Phoenicoparrus jamesi) y parina grande (Phoenicoparrus andinus), diferentes variedades de gallaretas, como la andina (Fulica ardesiaca) y la gigante (Fulica gigantea), el macá plateado puneño  (Podiceps occipitalis), el pato crestón (Lophonetta specularoides), el pato puna (Anas puna), la guayata (Chloephaga melanoptera) y otras muchas aves.
      Como en el resto de la Puna jujeña hay importantes yacimientos mineros de zinc, bórax, oro y otros minerales que no son explotados. En Paicone, existen además los conocidos yacimientos de "piedra campana", formaciones pétreas que por su composición suenan como metal al percutirse.