1. สภาพธรณีวิทยา
สภาพทางธรณีวิทยาส่วนใหญ่เป็นเทือกเขาสลับซับซ้อน เป็นพื้นที่ต้นน้ำของลำห้วยแม่จะเรา ห้วยพะวอ ห้วยแม่กาษา ห้วยแม่กึ๊ดหลวง ห้วยพะเสาะ ห้วยสมึนหลวง ห้วยโป่ง ห้วยพระเจ้า ห้วยแสม และมีลำห้วยแม่ละเมา ซึ่งเป็นลำน้ำขนาดใหญ่ไหลผ่าน ลำห้วยดังกล่าวไหลผ่านพื้นที่เกษตรกรรมของอำเภอ แม่สอดและอำเภอแม่ระมาด จังหวัดตาก แล้วไหลลงสู่แม่น้ำเมย มียอดเขาสูงสุดอยู่ทางทิศเหนือสูงถึง 964 เมตร จากระดับน้ำทะเล อันมียอดเขาเด่น คือ ดอยกะลา ดอยหลวง ดอยฝักมีดและดอยพะเสาะ บริเวณที่ทำการอุทยานฯ อยู่สูงจากระดับน้ำทะเลปานกลางประมาณ 670 เมตร
ลักษณะชั้นหินจัดอยู่ในกลุ่มหินราชบุรี (The Ratchaburi Group) เป็นกลุ่มหินที่จัดอยู่ในยุคคาร์โบนิเฟอรัสตอนบนถึงเพอร์เมียน (Carboniferous and Permain) ประกอบด้วยหินปูน ผลึกสีเทาอ่อนชั้นหนาสลับกับหินดินดาน หินทราย หินโคลน หินกรวดมนและหินทัฟห์ มีทั้งบริเวณที่เป็นเขาโดด แต่บริเวณที่เป็นเทือกเขาใหญ่ หินมีการโค้งงอและมีการเกิดผลึกใหม่ แต่ส่วนล่างของหินกลุ่มนี้จะเป็นหินกลุ่มตะนาวศรี ซึ่งพบเป็นบริเวณกว้าง หินกลุ่มนี้มีซากดึกดำบรรพ์มาก ส่วนใหญ่อยู่ในยุคเพอเมียนและมีซากดึกดำบรรพ์ที่อยู่ในยุคคาโบนิเฟอรัสเล็กน้อย บางครั้งเรียนหินปูนชนิดนี้ว่า หินปูนเพอเมียนแทนหินปูนราชบุรี ในกลุ่มหินแถบนี้พบแร่ที่สำคัญ เช่น แร่สังกะสี แร่ตะกั่ว แร่แบไรท์ และแร่เหล็ก เป็นต้น

2. ลักษณะดิน
ดินมีความอุดมสมบูรณ์สูงเพราะสภาพป่ามีความอุดมสมบูรณ์ แต่ก็ง่ายต่อการพังทลายเพราะชั้นของหน้าดินตื้น ชนิดดินจะเป็นดินร่วนและดินร่วนปนทราย มีดินลูกรังอยู่ชั้นล่าง

3. แหล่งน้ำ
พื้นที่ส่วนใหญ่อยู่ในพื้นที่คุณภาพลุ่มน้ำ ชั้น 1A ซึ่งเป็นแหล่งน้ำของลำห้วยแม่ละเมา ห้วยแม่จะเรา ห้วยพะวอ ห้วยแม่กาษา ห้วยแม่กึ้ดหลวง ห้วยพะเสาะ ห้วยสมึนหลวง ห้วยโป่ง ห้วยพระเจ้าห้วยแสม ฯลฯ ไหลผ่านพื้นที่เกษตรกรรมของอำเภอแม่สอดและอำเภอแม่ระมาด จังหวัดตาก แล้วไหลลงสู่แม่น้ำเมย ซึ่งลำห้วยดังกล่าว มีน้ำไหลผ่านตลอดทั้งปี

4. พรรณพืช
สภาพป่าประกอบด้วยป่าผลัดใบและป่าไม่ผลัดใบ จำนวน 4 ชนิด ได้แก่
1. ป่าเบญจพรรณ พบทางตอนกลางและทิศตะวันออกของพื้นที่ พันธุ์ไม้ที่พบได้แก่ สัก ซึ่งยังคงมีความหนาแน่นอยู่มากบริเวณใจกลางของพื้นที่นอกจากนั้นยังพบ ไม้แดง (Xylia xylocarpa (Roxb.)Jaub))ประดู่ (Pterocarpus indicus Willd.) เติม (Bischofia javanica Blume) รกฟ้า (Terminalia alata Heyne ex Roth) สมอพิเภก (Terminalia bellirica (Gaertn.) Roxb.) กระพี้เขาควาย(Dalbergia cultrata Grah. ex Benth.) กว้าว (Haldina cordifolia (Roxb.) Ridsdale) ซ้อ (Gmelina arborea Roxb.) ตะแบก (Lagerstroemia floribunda Jack.) และไผ่ชนิดต่างๆ เป็นต้น
2. ป่าดิบแล้ง พบทั่วไปบริเวณหุบเขาและริมลำห้วยในระดับความสูง 600 – 900 เมตรจากระดับน้ำทะเลเฉลี่ยปานกลาง พันธุ์ไม้ที่ขึ้นอยู่ได้แก่ ตะเคียนหิน (Hopea ferrea Pierre.) มะม่วงป่า (Mangifera caloneura Kurz ) ลำไยป่า (Dimocarpus longan Lour.) ลูกเนียง (Archidendron jiringa Nielsen.) อบเชย (Cinnamomum iners reinw) ส้มควาย (Garcinia atroviridis Griff. ex T.Anderson)มะไฟ (Baccaurea ramiflora Lour.) มะเดื่อปล้อง (Ficus hispida L.f..) ไทร (Ficus annulata) เป็นต้น
3. ป่าเต็งรัง เกิดขึ้นที่ระดับระดับความสูงประมาณ 50-1,000 พบมากในด้านทิศตะวันตก ของพื้นที่อุทยาน พันธุ์ไม้ที่ขึ้นอยู่ได้แก่ เต็ง (Shorea obtusa Wall.) รัง (Shorea siamensis Miq.) ยางพลวง (Dipterocarpus tuberculatus Roxb.) ยางเหียง (Dipterocarpus obtusifolius Teijsm. ex Miq.) เป็นต้น
4. ป่าดิบเขา พบตามภูเขาที่มีระดับความสูงตั้งแต่ 700 เมตร จากระดับน้ำทะเลเฉลี่ยปานกลางขึ้นไป พันธุ์ไม้ที่ขึ้นอยู่ได้แก่ ก่อเดือย (Castanopsis echinocarpa Miq.) สนสามใบ (Pinus kesiya Royle ex Gordon.) ตุ้มเต๋น (Duabanga grandiflora (DC.) Walp.) มะขามป้อม (Phyllanthus emblica L.) จำปีป่า (Paramichelia baillonii (Pierre) Hu.) สารภี (Mammea siamensis T.Anderson) นมนาง (Xantolis cambodiana (Pierre ex Dubarb) P.Royen.) ส้านใหญ่ (Dillenia obovata (Blume) Hoogland) ทะโล้ (Schima wallichii choisy.) ยมหิน (Chukrasia tabularis A. Juss.) เงาะป่า (Uvaria hirsuta Jack.) ละมุดป่า (Madhuca thorelii (Pierre ex Dubard) H.J.Lam.) ขนุนป่า (Artocarpus lacucha Roxb.) ไผ่หก (Dendrocalamus hamiltonii Nees) เป็นต้น
เมื่อปี เมื่อวันที่ 30 สิงหาคม 2553 ได้มีการแถลงข่าว โดยมีนายจตุพร บุรุษพัฒน์ อธิบดีกรมอุทยานแห่งชาติ สัตว์ป่า และพันธุ์พืช ในสมัยนั้น เป็นประธานการแถลงข่าวการพบพรรณไม้ชนิดใหม่ของโลกในสกุลโมก ซึ่งได้รับการยืนยันจาก Dr. David Middleton ผู้เชี่ยวชาญพรรณไม้ในสกุลโมก จากหอพรรณไม้เอดินบะระ สหราชอาณาจักร และได้รับการตีพิมพ์ลงในวารสาร Gardens’ Bulletin Singapore ในปี พ.ศ.2553 ได้พบพันธุ์ไม้ชนิดใหม่ของโลก คือ โมกพะวอ มีชื่อวิทยาศาสตร์ว่า Wrightia tokiae D. J. Middleton. (ที่มาของชื่อ“โมกพะวอ” มาจากการเรียกชื่อตามสถานที่พบครั้งแรก คือบริเวณศาลพะวอ ส่วนชื่อระบุชนิดของโมกพะวอ ที่มีชื่อว่า “tokiae” นั้น ตั้งเพื่อเป็นเกียรติแก่นางสาวนันทน์ภัส ภัทรหิรัญไตรสิน ซึ่งรู้จักกันในชื่อ “ต๊อก” หนึ่งในคณะทีมงานสำรวจพรรณไม้ ของสำนักวิจัยการอนุรักษ์ป่าไม้และพันธุ์พืช กรมอุทยานแห่งชาติ สัตว์ป่า และพันธุ์พืช ที่ได้สำรวจค้นพบโมกพะวอชนิดนี้ และถือเป็นพรรณไม้เฉพาะถิ่นของไทย พบเฉพาะทางภาคเหนือบริเวณศาลพะวอ อำเภอแม่สอด จังหวัดตาก ในเขตอุทยานแห่งชาติขุนพะวอ เท่านั้น) และต่อมาเมื่อวันที่ 14 ธันวาคม 2553 นายประสาท กำเนิด หัวหน้าอุทยานแห่งชาติขุนพะวอ และนายสัมฤทธิ์ ม่วงไหมทอง เจ้าพนักงานป่าไม้ชำนาญงาน ได้นำทีมคณะเจ้าหน้าที่อุทยานแห่งชาติขุนพะวอ ออกลาดตระเวนบริเวณเชิงเขาหินปูน เหนือน้ำตกป่าหมาก ต.พะวอ อ.แม่สอด จ.ตาก ได้พบพรรณไม้โมกพะวอขึ้นอยู่เป็นกลุ่มอีกจำนวนหนึ่ง จึงทำให้อุทยานแห่งชาติขุนพะวอเป็นแหล่งต้นกำเนิดของพรรณไม้โมกพะวอ ซึ่งมีอยู่แห่งเดียวในโลก

5. สัตว์ป่า
สัตว์ป่าที่พบ ได้แก่ ช้างป่า (Elephas maximus. Linnaeus, 1758) หมีควาย (Ursus thibetanus) เก้ง (Muntiacus muntjak) หมูป่า (Sus scrofa) หมาจิ้งจอก (Vulpes vulpes) ชะนี (Hylobates lar) ลิงวอก (Macaca mulatta) ค่างแว่นถิ่นเหนือ (Trachypithecus phayrei) หมีขอ (Arctictis binturong) ลิงลม (Nycticebus coucang Boddaert, 1785) เม่นใหญ่ (Hystrix brachyura Linnaeus) ลิ่นชวา (Hystrix brachyura Linnaeus) ตะกวด (Varanus bengalensis) ตุ่น (Euroscaptor klossi) กระรอกหลากสี (Callosciurus finlaysonii) กระต่ายป่า (Lepus peguensis) บ่าง (Galeopterus variegatus) ค้างคาวชนิดต่างๆ อีเห็นธรรมดา (Paradoxurus hermaphroditus) พังพอน (Herpestes urva) เต่าเหลือง (Indotestudo elongata) งูชนิดต่างๆ ไก่ป่า (Gallus gallus) และนกชนิดต่างๆ ซึ่งในอดีตช้างป่าเข้ามาหากินในเขตอุทยานแห่งชาติขุนพะวอบริเวณรอยต่อของเขตรักษาพันธุ์สัตว์ป่าแม่ตื่น เขตรักษาพันธุ์สัตว์ป่าอมก่อย ปัจจุบันกลุ่มช้างป่าดังกล่าว ได้เข้ามาอาศัยอยู่ในพื้นที่อุทยานแห่งชาติขุนพะวอ แสดงให้เห็นว่าทรัพยากรธรรมชาติที่เป็นแหล่งอาหารของช้างป่าในพื้นที่อุทยานแห่งชาติขุนพะวอ เริ่มมีความอุดมสมบูรณ์