Veľká Fatra patrí medzi najrozsiahlejšie a najtypickejšie jadrové pohoria Slovenska, kde sa zachovalo mnohotvárne a málo narušené prírodné prostredie. Žulové jadro vystupuje na povrch len v oblasti Smrekovice a Ľubochnianskej doliny. Ostatnú časť územia budujú najmä usadené horniny druhohôr.
Reliéf Veľkej Fatry je značne členitý pri veľkom výškovom rozpätí. Tento výškový gradient ju radí medzi vysoké hornatiny Slovenska. Vysoký hlavný hrebeň s rázsochami, v južnej časti mäkko modelovaný, predstavuje hôľny vysokohorský reliéf. S ním ostro kontrastuje reliéf Bralnej Fatry tvorenej komplexami chočského príkrovu. Tu sú vytvorené krajinársky výrazné krasové javy ako skalné steny, stupne, okná a kaňonovité dolinky. Do tejto časti patria najznámejšie doliny ako Gaderská, Blatnická, Belianska a Bystrická. Medzi najznámejšie jaskyne patria Mažarná, Jelenecká, Horná a Dolná Túfna. Vďaka členitému reliéfu a pestrému geologickému podkladu sa tu zachovali rastlinné spoločenstvá z rozličných období postglaciálneho vývoja. Medzi vzácne spoločenstvá patria zvyšky reliktných borín na vápencových bralách. Vzácny relikt našej kveteny, pochybok huňatý, má na Tlstej jedinú lokalitu na Slovensku. Pre hôľne spoločenstvá hlavného hrebeňa je charkteristický masový výskyt veternice narcisokvetej. Na území Veľkej Fatry prevažujú horské druhy živočíchov. Dosiaľ v nej bolo zistených okolo 110 druhov hniezdiacich vtákov a 60 druhov cicavcov. Zo šeliem možno spomenúť medveďa, rysa a vlka. Hniezdi tu orol skalný. Problémy spôsobuje introdukovaný alpský poddruh kamzíka vrchovského, ktorý ohrozuje pôvodnú tatranskú populáciu kamzíka vrchovského na území NP Nízke Tatry a poškodzuje vzácnu skalnú vegetáciu Veľkej Fatry.
Najstaršou rezerváciou v chránenej krajinnej oblasti je Národná prírodná rezervácia Harmanecká tisina (1949), zriadená hlavne na ochranu treťohorného reliktu tisu obyčajného, ktorý dnes dosahuje na území NP Veľká Fatra najmasovejší výskyt v rámci strednej Európy. V súčasnosti je poškodzovaný najmä jeleňou zverou a holorubným spôsobom obnovy lesných porastov, čo zapríčiňuje jeho čiastočný ústup.
