Nằm ở độ cao trung bình 1.000 - 1.600m so với mực nước biển trên diện tích hơn 574km², cao nguyên đá Đồng Văn là một trong những vùng đá vôi đặc biệt của cả nước, có sức lôi cuốn mạnh mẽ đối với du khách và những nhà nghiên cứu khoa học bởi chúng chứa đựng những dấu ấn tiêu biểu về lịch sử phát triển của vỏ trái đất, những hiện tượng tự nhiên, những cảnh quan đặc sắc, tính đa dạng sinh học cao và những truyền thống văn hóa đặc sắc của cộng đồng dân cư bản địa.
Cao nguyên 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. Theo khảo sát của các nhà khoa học Viện khoa học Địa chất và Khoáng sản thì cao nguyên đá Đồng Văn có 11 hệ tầng địa chất gồm: Chang Pung, Lutxia, Sika, Làng Xảng, Si Phai, Tốc Tát, Lũng Nậm, Bắc Sơn, Đồng Đăng, Sông Hiến và Hồng Ngài, trong đó Chang Pung là hệ tầng cổ nhất có niên đại 545 triệu năm. Về cổ sinh vật có 17 nhóm hóa thạch được phát hiện rất đa dạng, phong phú về giống, loài gồm: Tay cuộn, Bọ ba thùy, Cá cổ, Thực vật thủy sinh, Vỏ cứng, San hô vách đáy, San hô 4 tia, Lỗ tầng, Răng nón, Trùng lỗ, Vỏ nón, Hai mảnh vỏ, Chân bụng, Chân đầu, Động vật dạng rêu, Huệ biển và Tảo. Các cổ sinh vật này đã giúp các nhà khoa học hoàn chỉnh bức tranh lịch sử phát triển địa chất vùng cao nguyên đá Đồng Văn nói riêng và địa chất khu vực đông bắc Việt Nam – nam Trung Quốc nói chung.
Do cao nguyên Đồng Văn có sự đa dạng địa chất cao cùng với sự thay đổi của khí hậu nên quá trình tiến hóa karst đã tạo ra Các “vườn đá”, “rừng đá” rất đa dạng và phong phú như vườn đá Khâu Vai (Mèo Vạc) có các chóp đá hình bông hoa, nụ hoa, nhành hoa với muôn hình muôn vẻ; vườn đá Lũng Pù (Mèo Vạc) thì mỗi chóp đá, tảng đá, tháp đá lại có hình rồng cuộn, hổ ngồi… cùng với các loại cây địa y, lan …làm cho vườn càng trở nên sinh động hấp dẫn; vườn đá Vần Chải (Đồng Văn) thì lại có các phiến đá tròn nhẵn xếp gối lên nhau, trông tựa như đàn hải cẩu hàng nghìn con, đen bóng tựa vào nhau nghỉ trên bãi biển bình yên, tạo cho người xem cảm giác bất ngờ, ngạc nhiên. Tuy nhiên những dãy núi có dạng kim tự tháp đỉnh nhọn, sườn dốc nối tiếp nhau cao ngất trời là phổ biến nhất, tạo cho cao nguyên đá Đồng Văn một sự uy nghi hùng vĩ. 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), hang Khố Mỷ ở Tùng Vài (Quản Bạ), động Én ở Vần Chải (Đồng Văn)…
Cao nguyên đá Đồng Văn cũng được các nhà khoa học đánh giá là vùng có hệ địa – sinh thái núi đá độc đáo và đa dạng. Quần xã rừng nguyên sinh còn tương đối nguyên vẹn, có nhiều gỗ, lâm sản và các loài thuốc quý như: nghiến, thông đá, dẻ, thảo quả, đỗ trọng, nấm hương… Đặc biệt, trên những hoang mạc đá ở cao nguyên Đồng Văn có tới trên 40 loài lan, điển hình là lan hài. 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, hoẵng, lợn rừng, cầy hương, sóc, gà rừng, chim, khướu, hoạ mi… tạo nên nét đẹp tự nhiên, sinh động của vùng cao nguyên đá.
Bên cạnh những giá trị về địa chất, địa mạo, cảnh quan… cao nguyên đá Đồng Văn còn chứa đựng những giá trị văn hoá truyền thống của đồng bào các dân tộc như Mông, Dao, Lô lô, Pu Péo… Người dân vùng cao Đồng Văn sống quyện cùng với đá: dọn đá để dựng nhà, để có đất trồng trọt; khoét đá để tìm dòng nước ngọt… Đá dựng thành tường rào bao quanh làng xóm, đá giữ nước, giữ đất để có ruộng bậc thang, và đá dựng thành rừng, thành lũy để bảo vệ biên cương Tổ quốc. Ở nơi đây cúi xuống thấy đá tai mèo, ngẩng lên trời lại thấy đá - một màu đá xám bao phủ. Nhưng xen lẫn với màu xám ngắt của đá là màu xanh của những ruộng ngô, màu vàng của những nương lúa. Ngô trồng trên đá, len lỏi bám chặt vào đá mà ra bắp. Bên cạnh đó, những phiên chợ vùng cao như Phố Bảng, Đồng Văn, Lũng Cú, Sà Phìn… cùng với các phong tục tập quán, các lễ hội đặc sắc của đồng bào dân tộc đã làm bao du khách say đắm khi đến với nơi đây.
Đến Đồng Văn đẹp nhất là vào mùa xuân, khi hoa cải rực vàng chân núi, hoa đào đỏ thắm những mái ngói rêu phong, hơi thở của đá, sắc xanh của trời, tiếng rì rầm từ rẻo cao vọng lại, dáng vẻ kiêu hãnh của hàng sa mộc thẳng tắp… tạo nên một bức tranh tuyệt đẹp. Từ thung lũng sâu, tiếng khèn Mông lảnh lót gọi hoa lê, hoa mận thức dậy nở trắng xóa một vùng rừng. Những ngọn núi đá trùng trùng điệp điệp, những cánh đồng đá trải dài bất tận thường ngày xám đen lạnh lẽo nay bỗng trở nên rực rỡ bởi những sắc màu tươi mới của mùa xuân. Tất cả cứ tràn vào nhau, hoà quyện vào nhau thành một bức tranh tuyệt đẹp nơi cực bắc Tổ quốc. “Thiên đường màu xám” – cao nguyên đá Đồng Văn dù có trở lại vẫn thấy là lạ, vì nó đẹp, cái đẹp hoang dại, từ con người đến cảnh vật. Cái đẹp mà khi trải nghiệm rồi vẫn có chút gì thú vị.
Hiện nay, cao nguyên đá Đồng Văn đã được lập hồ sơ để đề nghị công nhận là công viên địa chất quốc gia và gia nhập mạng lưới công viên địa chất toàn cầu.
