Đồng Văn có tới 80% diện lộ đá vôi, được tạo thành từ những điều kiện môi trường và giai đoạn phát triển rất khác nhau kéo dài hàng trăm triệu năm. Cao nguyên đá Đồng Văn đã trải qua tất cả các giai đoạn phát triển của vỏ trái đất, từ Đại cổ sinh, Đại trung sinh đến Đại tân sinh với 13 hệ tầng địa chất đã được phân chia, trong đó Chang Pung là hệ tầng cổ nhất có niên đại khoảng 540 triệu năm.
Các hoạt động kiến tạo địa chất đã chia cắt cao nguyên đá Đồng Văn thành các khối tảng và sự chuyển động phân dị mạnh mẽ đã tạo ra chênh lệch địa hình lên đến cả ngàn mét, hình thành nên các hẻm vực, đặc biệt ở các khu vực đá vôi. Trong số những hẻm vực karst ở Đồng Văn, hẻm Tu Sản trên sông Nho Quế là đẹp và hùng vĩ nhất. Ở vị trí đèo Mã Pì Lèng bên hẻm Tu Sản có thể quan sát thấy những nếp uốn kỳ diệu của đá vôi tuổi Devon. Hệ thống hang động trên cao nguyên đá Đồng Văn cũng là sản phẩm của quá trình tiến hóa karst và là những điểm tham quan du lịch rất kỳ thú như: hang Rồng ở Sảng Tủng (Đồng Văn), động Lùng Khúy, hang Khố Mỹ (Quản Bạ), động Én ở Vần Chải (Đồng Văn)...
Cao nguyên đá Đồng Văn có hệ địa - sinh thái núi đá độc đáo và đa dạng. Hệ thống động thực vật nguyên sinh ở đây còn tương đối nguyên vẹn, có nhiều gỗ, lâm sản. Cao nguyên Đồng Văn còn là môi trường sống của các loài động vật hoang dã với trên 50 loài thú, chim, bò sát như: sơn dương, voọc mũi hếch, hoẵng, lợn rừng, cầy hương, sóc, gà rừng... tạo nên nét đẹp tự nhiên, sinh động của vùng cao nguyên đá.
Cao nguyên đá Đồng Văn là nơi sinh sống của 17 dân tộc thiểu số với bản sắc văn hóa riêng, độc đáo, thể hiện ở những lễ hội truyền thống và những phiên chợ vùng cao như chợ Phó Bảng, Đồng Văn, Lũng Cú, Sà Phìn đặc biệt là chợ tình Khâu Vai nổi tiếng.
Với những giá trị đặc sắc, nổi bật, ngày 3/10/2010, tại Lesvos (Hy Lạp), Hội đồng tư vấn Mạng lưới Công viên địa chất toàn cầu (GGN) đã chính thức công nhận cao nguyên đá Đồng Văn là Công viên Địa chất toàn cầu.
Bích Vân