In lang gezogenen Schlingen windet sich die Thaya 23,3 km lang durch eine einzigartige Tallandschaft. Bis zu 150 m tief hat sie sich hier vor ca. 5 bis 1,5 Millionen Jahren in das harte kristalline Gestein der Böhmischen Masse eingegraben und eines der schönsten Durchbruchstäler Mitteleuropas geschaffen. Vom 378 m hohen Umlaufberg aus, der von der Thaya fast zur Gänze umflossen wird, kommt der einzigartige landschaftliche Reiz des Thayatals am besten zum Ausdruck. Faszinierend ist der abwechslungsreiche geologische Untergrund aus Graniten, Gneisen und Schiefern mit einem ehrwürdigen Alter von bis zu 600 Millionen Jahren. Auch darin ist der Nationalpark eine Superlative, gehören diese Gesteine doch zum ältesten Gebirge Österreichs! Bei Hardegg sind auch basische Gesteine wie z.B. Kalksilikate und Marmor zu finden und bereichern dadurch die Artenvielfalt.
Das Thayatal zählt zu den letzten naturnahen Tallandschaften Mitteleuropas. Steilufer mit oft senkrechten Felsabstürzen, weite Talgründe und ein reiches Mosaik verschiedener Lebensräume säumen den Fluss auf seinem Weg durch den Nationalpark.
Die Trockenrasen an kargen, steilen Hängen und auf Felsplateaus sind von Menschenhand unberührte botanische Raritäten. Ausgangsgestein, Exposition, die Neigung und Gründigkeit des Oberbodens haben hier zur Ausbildung einer überdurchschnittlich hohen Anzahl von Pflanzengesellschaften geführt. Die Palette der Vegetationstypen reicht von Felsbewohnern und lockeren Grusrasen über Zwergstrauchbestände (z. B. mit Besenheide), geschlossene Rasensteppen bis hin zu Waldsteppenkomplexen. Neben anthropogen unbeeinflussten Trockenstandorten gibt es auch sekundäre waldfreie Standorte, die durch Beweidung entstanden sind und nun durch Pflegemahd offen gehalten werden.
Über 90 Prozent der Fläche des Nationalparks sind mit Wald bedeckt. Entsprechend dem Klimagradienten wird das östliche Gebiet von trocken-warmen Eichenwäldern dominiert, wobei diese fast zur Gänze über saurem Granit liegen. Im westlichen Teil dominieren die Buchenwälder, die hier in Gesellschaften über Kalk und Granit aufgegliedert sind. Nadelbaumarten spielen nur eine untergeordnete Rolle; nur Rotföhre (auf Felsstandorten), Tanne, Eibe und Wacholder sind autochthon. Die Forstwirtschaft hat im Nationalpark Thayatal ihre Spuren hinterlassen. Vor allem auf den leicht zugänglichen Plateau-Lagen wurden naturnahe Laubwälder in Wirtschaftsforste umgewandelt. Ungefähr 20 % der Fläche sind mit standortfremden Gehölzen bestockt.
Einen wichtigen Beitrag zur biologischen Vielfalt im Nationalpark Thayatal leisten die ca. 63 ha Wiesen. Neben den klassischen Fettwiesen handelt es sich vorwiegend um artenreiche Magerwiesenkomplexe.
Die besondere Geologie und die Geomorphologie des Thayatals sind die Ursache für die hohe Zahl an Pflanzen, Tieren und Lebensräumen. Auch die Lage an einer Klimagrenze zwischen dem rauen, feuchten Waldviertel und dem pannonisch-kontinental beeinflussten Weinviertel trägt zur hohen Biodiversität des Thayatals bei. Insgesamt treffen im Thayatal auf relativ kleiner Fläche zahlreiche seltene Tier- und Pflanzenarten aus Südosteuropa, den Voralpen und Mitteleuropa aufeinander.
