Teritoriul Parcului National Defileul Jiului se caracterizeaza printr-o diversitate extrem de mare sub raportul varstei si distributiei spatiale a substraturilor litologice. Sub aspect geomorfologic, teritoriul parcului este amplasat in vestul Carpatilor Meridionali, pe versantul estic al Muntilor Valcan, si pe versantul vestic al Muntilor Parang, despartiti de Defileul Jiului. Unitatea de relief predominanta este versantul. 

In cuprinsul parcului s-au identificat 15 tipuri de statiuni forestiere dispuse in doua etaje fitoclimatice: etajul deluros de gorunete, fagete si goruneto-fagete, cu opt tipuri de statiuni forestiere si etajul montan – premontan de fag cu sapte tipuri de statiune forestiera. Reteua hidrologica este formata din sectorul de cca 30 km al raului Jiu intre confluenta Jiului de Est cu Jiul de Vest si confluenta cu paraul Sadu, spre care converg toate paraiele aferente la care se adauga si alti afluenti mai mici si afluenti secundari ai acestora.In total reteaua hidrologica depaseste lungimea de 300 km, majoritatea paraielor mari au debit permanent, dar cu fluctuatii sezoniere notabile.

Existenta padurilor virgine disparute in restul Europei cu diversitatea si abundenta biologica specifica, alaturi de pajisti montane, stanci, abrupturi, chei, Jiul cu meandrele lui si insulitele aferente, paraie nealterate, grote, liziere, paduri de fag balcanic cu carpen si tei, elemente termofile aflate sub influenta climatului submediteranean, cu habitate caracteristice si o flora si fauna bogate.