Από γεωλογική άποψη η περιοχή αποτελείται από πετρώματα σερπεντινικά, γνεύσιου, σχιστολιθικά και ανθρακικά. Ευμεσογειακά ασβεστολιθικά απόκρημνα βράχια της Ελλάδας, Δάση-στοές με Salix alba και Populus alba, Δάση πλάτανου της Ανατολής (Platanion orientalis), Δάση με Quercus ilex.
Η περιοχή περιλαμβάνει δάση με μεγάλη αισθητική και οικολογική αξία. Μεγάλος αριθμός παρυδάτιων πτηνών και κοινών ειδών ψαριών διαβιεί εδώ. Στην περιοχή απαντά ένα ελληνικό ενδημικό φυτικό είδος
Το όνομα των Τεμπών διατηρείται από την αρχαιότητα. Την περίοδο της Τουρκοκρατίας λέγονταν και Μπαμπά. Μια κατάφυτη περιοχή με άφθονες πηγές που καταλήγουν στον Πηνειό. Πολύ κοντά στα Τέμπη είναι το Δέλτα του Πηνειού, ένας τόπος και μεγάλη βιοποικιλότητα και οικολογική αξία.
Ο Πηνειός είναι σημαντικός για τα μοναδικά παρόχθια δάση του με πλατάνια, που δημιουργούν το αισθητικό δάσος των Τεμπών και τις νησίδες με τα δρυοδάση.
Στην κοιλάδα των Τεμπών υπάρχουν φυσικές πηγές νερού.
Τα Τέμπη αποτελούν καταφύγιο για σπάνια πουλιά-παρυδάτια και αρπακτικά (225 είδη, ανάμεσά τους κορμοράνοι, ερωδιοί και φλαμίνγκο) , ενώ υδροχαρή δέντρα (πλατάνια, λεύκες, ιτιές κ.ά.), που φυτρώνουν μέσα από τα νερά του ποταμού, δάση από πλατάνια και σπάνια λουλούδια στους βράχους, συνθέτουν το τοπίο.
Η ελληνική μυθολογία είναι πλούσια σε μύθους που σχετίζονται με την κοιλάδα των Τεμπών. Σύμφωνα λοιπόν με έναν μύθο η κοιλάδα άνοιξε από την τρίαινα του Ποσειδώνα. Άλλος μύθος λέει ότι ο θεός Απόλλωνας ήταν ερωτευμένος με τη Δάφνη, κόρη του Πηνειού. Ο πατέρας της, για να μην την αρπάξει ο θεός, την μεταμόρφωσε σε φυτό, την δάφνη, που αφθονεί στην κοιλάδα. Επίσης αναφέρεται ότι ο θεός Απόλλωνας τις δάφνες στους Δελφούς τις μετέφερε από την πλούσια σε βλάστηση περιοχή των Τεμπών. Υπήρχε μάλιστα και ναός αφιερωμένος στον Απόλλωνα.
Η μυθολογία μας επίσης αναφέρει ότι στην κοιλάδα των Τεμπών ο θεός Πάνας κυνηγούσε τις Δρυάδες και τις Νύμφες.
Εδώ επίσης για κάποιο διάστημα κατοικούσε ο Αρισταίος, γιος του Απόλλωνα και της Κυρήνης κι εδώ ήταν που κυνηγούσε την Ευρυδίκη, σύζυγο του Ορφέα. Ενώ αυτή προσπαθούσε να ξεφύγει από τον Αρισταίο, που την κυνηγούσε, δαγκώθηκε από ένα ερπετό και πέθανε.
Σύμφωνα με τους ιστορικούς Ηρόδοτο, Απολλόδωρο και Στράβωνα, πριν από μερικές χιλιετίες τα όρη Όλυμπος και Κίσαβος αποτελούσαν μια ενιαία οροσειρά.
Τα νερά των βροχών και των πηγών δεν έβρισκαν διέξοδο στη θάλασσα. Η συνεχής ανύψωση της στάθμης των υδάτων μετέβαλλε το θεσσαλικό λεκανοπέδιο σε μια απέραντη λίμνη. Μετά από σοβαρές γεωλογικές αναστατώσεις (κατακλυσμός του Δευκαλίωνα κατά την ελληνική μυθολογία) προκλήθηκε το σεισμικό ρήγμα μεταξύ του Ολύμπου και του Κίσαβου, της κοιλάδας των Τεμπών και τα νερά της Θεσσαλίας εκκενώθηκαν στον Θερμαΐκό, αφήνοντας πίσω τους μια εύφορη κοιλάδα.