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 lún sụt. 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. Phong Nha - Kẻ Bàng nằm trong vùng có lượng mưa trung bình hàng năm khá cao. 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, tiêu biểu 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.
Phong Nha - Kẻ Bàng có hệ thực vật phong phú, đa dạng và độc đáo với 2.400 loài thực vật bậc cao (208 loài Lan), có 140 loài thú, 356 loài chim, 97 loài bò sát, 47 loài lưỡng thể, 162 loại 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 không 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 và lần thứ 2 vào tháng 7/2015.
Phương Thảo