Chránená krajinná oblasť Horná Orava sa nachádza v najsevernejšej časti Slovenska. Veľkú časť územia zaberajú flyšové pohoria tvorené flyšovými horninami, na území CHKO predovšetkým horninami tzv. magurského flyšu – pieskovce a ílovce, ktoré sa v ďalších geologických dobách intenzívne zvrásňovali spolu so staršími geologickými jednotkami.

Takmer polovicu územia chránenej krajinnej oblasti zaberajú lesy. Značnú časť pokrývajú najmä lesy bukovo-jedľového vegetačného stupňa so silne zastúpenými smrekovými monokultúrami. Výnimku tvoria lesné komplexy Babej hory, Pilska a Paráča s pralesovitými porastami smreka s prímesou jarabiny. Stupeň kosodreviny je vyvinutý na Babej hore a Pilsku. Vo vrcholových častiach Babej hory je zreteľne vyvinutý aj alpínsky stupeň reprezentovaný alpínskymi lúkami.

Ďalším výnimočným javom vo vegetácii CHKO je prítomnosť značnej pestrosti rašelinných fytocenóz s výskytom charakteristických vzácnych a ohrozených druhov rastlín, ako andromédka sivolistá, rojovník močiarny, ostroplod biely, rosička okrúhlolistá, plavúnec zaplavovaný, ostrica výbežkatá, vŕba čučoriedková.

Na hodnotách prírody oblasti sa značnou mierou podieľa aj živočíšstvo. Z veľkých šeliem sa v nej vyskytujú medveď, vlk, vzácnejší je rys. Bežná je raticová zver – jelenia, srnčia i diviačia. Charakteristickými druhmi stupňa lesa sú tetrov, hlucháň, jariabok lesný. Z dravých vtákov tu hniezdi orol krikľavý, myšiak hôrny, početný je krkavec čierny. V ostatných desaťročiach svoj hniezdny areál v oblasti rozšíril bocian čierny. V posledných rokoch prenikol do územia los mokraďový. Faunistickou osobitosťou územia chránenej krajinnej oblasti je oravské priehradné jazero, poskytujúce vhodný biotop nielen pre ichtyofaunu, ale najmä pre avifaunu.

Rašelinné a močaristé plochy sú biotopom viacerých druhov plazov a obojživelníkov (mlok vrchovský, mlok karpatský i mlok veľký). V oblasti majú svoje stanovištia aj viaceré vzácne a ohrozené druhy bezstavovcov, ako napríklad žltáčik čučoriedkový, lovčík pobrežný a i.