Phong Nha – Kẻ Bàng được ví như một bảo tàng địa chất khổng lồ có giá trị và mang ý nghĩa toàn cầu bởi cấu trúc địa lý phức tạp, tập hợp nhiều loại đá khác nhau như sa thạch, thạch anh, phiến thạch, đá vôi chứa silic, đá mac-nơ, đá granodiorite, đá diorite, đá aplite, pegmatite... Phong Nha – Kẻ Bàng cũng chứa đựng lịch sử phát triển địa chất phức tạp, lâu dài từ 400 triệu năm trước của trái đất. Trải qua các giai đoạn kiến tạo quan trọng và các pha chuyển động đứt gãy, phối tảng, uốn nếp đã tạo ra các dãy núi trùng điệp và các bồn trầm tích bị sụt lún. Những biến động trên cũng đã góp phần tạo nên sự đa dạng về địa chất, địa hình, địa mạo.

Vùng đá vôi Phong Nha – Kẻ Bàng có những đặc trưng toàn cầu trong nhiều giai đoạn phát triển từ kỷ Ordovic muộn – Silur (463,9 – 430 triệu năm trước) đến kỷ Đệ Tứ (1,75 triệu năm trước). Một đặc điểm mang tính đặc thù ở đây là hệ thống sông chảy ngầm và các hang động trong lòng núi đá vôi.

Vùng địa mạo phi đá vôi có đặc điểm chung là núi thấp với thảm thực vật phủ trên bề mặt. Quá trình bào mòn tạo ra các thềm dọc theo các thung lũng của các sông Son, sông Chày hay tại các bờ của các khối núi đá vôi ở vùng trung tâm. Vùng địa hình chuyển tiếp là những dạng khác nhau xen giữa các núi đá vôi.

Nằm trong vùng có lượng mưa trung bình hàng năm khá cao nhưng nước ở đây đã ngấm và chảy ngầm trong lòng các núi đá vôi, trải qua hàng chục triệu năm đã tạo nên vô số hang động ở khu vực này. Tại Phong Nha - Kẻ Bàng có khoảng 300 hang động lớn nhỏ được chia thành ba hệ thống chính: hệ thống động Phong Nha, hệ thống hang Vòm và hệ thống hang Rục Mòn.

Hệ thống động Phong Nha có tổng chiều dài khoảng 80km bắt nguồn từ phía nam của vùng núi đá vôi Kẻ Bàng. Cửa chính của hệ thống động này là động Khe Ry và động Én nằm ở độ cao khoảng 300m so với mặt nước biển. Các hang trong hệ thống này phân bổ theo dạng cành cây chạy theo hướng đông bắc – tây nam.

Hệ thống hang Vòm có tổng chiều dài trên 35km bắt nguồn từ hang Rục Cà Roòng, nằm ở độ cao 360m so với mặt nước biển và kết thúc là hang Vòm. Hệ thống hang Vòm nằm trên trục có hướng chung là nam – bắc. Sông Rục Cà Roòng lúc ẩn mình trong núi đá, lúc lại xuất hiện trên những thung lũng hẹp và sâu, cuối cùng đổ ra sông Chày ở cửa hang Vòm.

Hệ thống hang Rục Mòn nằm ở địa phận huyện Minh Hóa cũng là một trong những hang động lớn nhưng chưa được khai thác nhiều.

Một số hang động tiêu biểu ở Phong Nha – Kẻ Bàng là động Phong Nha, động Tiên Sơn, động Thiên Đường, hang Tối, hang Én, hang Khe Ry, đặc biệt hang Sơn Đoòng được đánh giá là hang động lớn nhất thế giới với chiều cao khoảng 200m, có nơi lên đến 250m, rộng 200m, chiều dài ít nhất là 8,5km.

Với đặc điểm về địa hình, khí hậu, đất đai, thủy văn của Phong Nha – Kẻ Bàng đã hình thành hệ thực vật phong phú, đa dạng và độc đáo. Kết quả hoạt động điều tra, khảo sát đã ghi nhận Phong Nha – Kẻ Bàng có thảm rừng nhiệt đới rộng lớn, phủ kín 93,57% diện tích tự nhiên, trong đó gần 83,74% diện tích được che phủ bởi rừng nguyên sinh hoặc gần như rừng nguyên sinh. Sự phong phú, đa dạng về thành phần, chủng loại động thực vật quý hiếm ở Phong Nha – Kẻ Bàng là hệ quả tất yếu của điều kiện sinh cảnh và là đặc trưng tiêu biểu về sinh thái rừng tại đây.

Tại vườn quốc gia này các nhà khoa học đã thống kê được 2.400 loài thực vật bậc cao với 208 loài Lan trong đó có nhiều loài quý hiếm được ghi trong Sách Đỏ của Việt Nam và IUCN. Bên cạnh đó còn có 140 loài thú, 356 loài chim, 97 loài bò sát, 47 loài lưỡng thể, 162 loài cá, 369 loài côn trùng, trong đó nhiều loài thuộc danh mục Sách Đỏ của Việt Nam và thế giới như: Sao La, Mang Lớn, Mang Trường Sơn, voọc Hà Tĩnh... Phong Nha – Kẻ Bàng có ý nghĩa như một bảo tàng sinh vật khổng lồ ở Việt Nam. 

Vườn Quốc gia Phong Nha – Kẻ Bàng đã 2 lần được UNESCO công nhận là Di sản thiên nhiên thế giới: lần thứ nhất vào tháng 7/2003 tại Hội nghị lần thứ 27 họp ở Paris (Pháp) và lần thứ 2 vào tháng 7/2015 tại Hội nghị lần thứ 39 họp ở Bonn (Cộng hòa Liên bang Đức).