A Gerecse-hegységet felépítő alapkőzet a földtörténeti középkorban – a triászban és a jurában – kialakult mészkő, amelyet a földfelszín vetődései darabokra törtek, ezért a hegység részeit északnyugat-délkeleti irányú törések választják el egymástól.

A Gerecse mészköve nevezetes, hírét egyrészt annak köszönheti, hogy az átlagosnál jóval gyakrabban maradtak meg benne épségben a több millió éve élt élőlények mészvázai, ezért az érdeklődő viszonylag kis befektetéssel igen szép lenyomatokra lelhet: a triász kori mészkőben óriás egysejtűek nyomai fedezhetők fel (persze a nagyító nem árt), a jura időszaki üledékekben viszont az ősi lábasfejűek csodás mészvázai láthatók. A mészkő másik nevezetessége a nagyon szép, márványos, változó erősségű és árnyalatú piros-vörös-rozsda színe, amely – piszkei és tardosi "vörös márványként" – évszázadok óta több nevezetes épület építésénél is felhasználtak (talán a leghíresebb a Visegrádi palota).

A mintegy hatszáz méter csúcsmagasságú Gerecse karsztosodó mészköve – a lenyűgöző tájképi értéke mellett (pl. a Peskő) – több mint harminc barlangot rejt, közöttük kisebb lyukak, és beállók csakúgy vannak, mint valódi barlangok (a leghíresebb és legnagyobb, több mint 240 méter járathosszúságú, a Nagy-Pisznicén található). A hegység több barlangjában is találtak kőkorszaki leleteket, például a Tatabánya fölött nyíló Szelim-barlangban (amely akár az országútról is látható), és a Jankovich-barlangban (ahol az általuk elejtett állatok csontvázait is feltárták).

A Gerecsét és környékét egészen a török korig egybefüggő erdőség borította, ami csak a hódoltság után kezdett megváltozni. A szigethegység belső területeit máig viszonylag épen, egy tömbben megmaradt erdők, és gazdag állatvilág jellemzi. A legszebb részek szigorúan védettek, ezért a kijelölt turistautakról letérni nem szabad. Ezek a területek elsősorban a Nagy-Somlyón, a Nagy-Pisznicén, és a Lábas-, valamint az Asszony-hegyen találhatók.
Bár a Gerecse növényzete hasonlít a Vértesben és a Pilisben található flórához, annál valamivel szegényebb, aminek fő okaként az egységesebb talajképző kőzetet és a kevésbé változatos mikroklimatikus viszonyokat szokták megjelölni a kutatók. A hegység legjellemzőbb fás társulásai a cseres tölgyesek, a hűvösebb területeken, a völgyek árnyékos oldalain gyertyános tölgyesek, míg a legmagasabb részeken, illetve az északi oldalakon (ún. extrazonális, a szokásos magasságnál alacsonyabban élő) bükkösök találhatók.
A gyorsan felmelegedő déli kitettségű oldalakat molyhos tölgyesek, és – a kevésbé jó talajtani adottságú részeken – sajmeggyes karsztbokorerdők fedik, amelyek tavasszal, a sajmeggy virágzásának idején, lenyűgöző látványt nyújtanak. A sajmeggy mellett a karsztbokorerdők másik kísérőfaja a cserszömörce, ami pedig ősz elején nyújt feledhetetlen élményt égő piros színével. A kitettebb részeket hársas törmeléklejtő-erdők fedik, a napos oldalak gyepjeinek karakterisztikus növényei a törpe sás és a barázdált csenkesz.
A fátlan területeket dolomit sziklagyepek és mészkedvelő, sziklafüves lejtősztyepprétek borítják, a hegység kisalföldi oldalán gyakran találni alföldi fajokat (pl. homoki vértövet).
A hegységben több helyen is nyílik árvalányhaj, leánykökörcsin, apró nőszirom, de a Gerecse kimagaslóan legértékesebb növénye a Nagy-Pisznicén élő, jégkori reliktum magyarföldi husáng, amely az országban mindössze néhány helyen található. A Gerecsében él még a szintén ritka Borbás-kerep, és kék szamárkenyér, a Nagy-Somlyón értékes gyöngyvesszős társulások találhatók.

A Gerecse madárvilága igen gazdag, közel száz madárfaj fészkelése bizonyított, köztük olyan, fokozottan védett ragadozó madaraké, mint a kerecsensólyom, a parlagi sas, törpe sas, vagy a szintén ritka színes kövirigó, holló, és hantmadár.
Az emlősök közül megemlíthető a vadmacska, a nyuszt, és a barlangokban több denervérfaj is él. Sajnos a vadászati okokból betelepített muflon, akárcsak sok más helyen, itt is igen nagy károkat okoz, mert tövig rágja az értékes sziklagyepeket.

A Gerecse kultúrtörténete is jelentős. A hegység peremén található falvak – Agostyán, Tardos, Vértestolna – néprajzi szempontból is értékesek. Agostyán mellett igen szép arborétum található, mocsári ciprusokkal, cédrusokkal, mamutfenyőkkel és más ritka fajokkal. Bajnán az ördöglovas, Sándor Móric kastélya látható.