V pozvolných smyčkách se Dyje v délce 23,3 km vine jedinečnou údolní krajinou. Před cca. 5 až 1,5 milióny let se zařízla až 150 m hluboko do tvrdé krystalické horniny České vysočiny a vytvořila jedno z nejhezčích průlomových údolí Střední Evropy. Z 378 m vysokého Umlaufbergu, který Dyje téměř kompletně obtéká, je pohled na jedinečnou krajinnou krásu Podyjí pravděpodobně nejhezčí. Fascinující je rozmanité geologické podloží z žuly, ruly a břidlice opravdu ctihodného stáří až 600 miliónů let. I tím je národní park výjimečný, tyto horniny přece patří k nejstarším horninám v Rakousku! U Hardeggu je možno nalézt i bazické horniny, jako vápenné křemičitany a mramor, které tím obohacují druhovou nabídku.
Thayatal patří k posledním přírodním údolním krajinám Střední Evropy. Řeku na její cestě národním parkem lemují strmé břehy často s kolmými skalními sesuvy, široká údolní dna a bohatá mozaika různých životních prostorů.
Suché trávníky na skrovných, strmých svazích a na skalních plošinách jsou lidskou rukou nedotčenými raritami. Výchozí hornina, expozice, sklon a podloží svrchní půdy zde vedly k vytvoření nadprůměrně vysokého počtu rostlinných společenstev. Paleta vegetačních typů dosahuje od obyvatel skal a řídkých trávníků na jemných drtích přes drobná křoviska (např. s vřesem obecným), uzavřené trávníkové stepi, až po komplexy lesostepí. Vedle antropogenně nedotčených suchých stanovišť existují i sekundární bezlesá stanoviště, která vznikla spásáním, a které lze udržovat pouze sečením.
Přes 90 procent plochy národního parku je pokryto lesem. Podle klimatických gradient dominují ve východním území suché teplomilné dubiny, přičemž tyto téměř kompletně leží na kyselé žule. V západní části dominují bučiny, rozdělené do společenstev na vápenci a žule. Jehličnaté druhy hrají pouze podřadnou roli; pouze borovice lesní (na skalnatých stanovištích), jedle, tis a jalovec jsou původními druhy. Lesnictví zanechalo v národním parku Thayatal své stopy. Především na dobře přístupných polohách na plošinách byly přírodě blízké listnaté lesy přeměněny na lesy hospodářské. Zhruba 20 % plochy je porostlé nepůvodními dřevinami.
Důležitý přínos pro biologickou rozmanitost v národním parku má cca. 40 ha luk. Vedle klasických bujných luk se jedná především o skrovné luční komplexy bohaté na druhy.
Zvláštní geologie a geomorfologie Thayatalu jsou důvodem velkého počtu rostlin, živočichů a životních prostor. Také poloha na klimatické hranici mezi drsnou, vlhkou oblastí Waldviertel a panonsky-kontinentálně ovlivněnou oblastí Weinviertel přispívá k vysoké biodiverzitě Thayatalu. Celkově se v Thayatalu na relativně malé ploše setkává množství vzácných zvířecích a rostlinných druhů jihovýchodní Evropy, předhůří Alp a střední Evropy.
