Có niên đại từ kỷ Cambrian (khoảng 550 triệu năm trước), đến nay, Cao nguyên đá Đồng Văn đã trải qua 7 thời kỳ địa chất khác nhau. Du khách đến đây, có thể nhìn tận mắt những dấu vết còn lưu lại trong các di chỉ cổ sinh vật học, địa tầng, địa mạo, kiến tạo, karst, hang động và đứt gãy quan trọng.
Những "vết tích" này còn phản ánh hai trong số năm sự kiện lớn trong lịch sử sinh giới của Trái đất là những ranh giới tuyệt chủng sinh giới hàng loạt. Cụ thể là Biến cố sinh học Devon muộn xảy ra ở ranh giới Frasnian-Famennian, khoảng 364 triệu năm trước, làm cho 19% số họ và 50% số giống cổ sinh bị tuyệt diệt và Biến cố sinh học Permi-Trias xảy ra cách đây 251 triệu năm trước, là sự kiện lớn nhất trong 5 biến cố của sinh giới, làm tuyệt diệt khoảng 90% số giống và loài sinh vật biển.
Không chỉ đa dạng về cổ sinh vật, Cao nguyên đá Đồng Văn còn có hai khu bảo tồn thiên nhiên là Khu bảo tồn thiên nhiên Du Già và Khu bảo tồn loài và sinh cảnh Khau Ca. Hai khu bảo tồn này phong phú về các loài động, thực vật như cây lá kim, sơn dương phương Nam (một loài dê núi đơn độc) và nhiều loài chim bản địa.
Do đó, nơi này có hệ động thực vật rất phong phú, bao gồm 289 loài thực vật bậc cao, thuộc 83 họ; hệ động vật trên núi đá vôi với 171 loài trong 73 họ và 24 bộ. Có 27 loài gồm 17 loài thú, 2 loài chim và 8 loài bò sát là những động vật quý hiếm được ghi trong Sách đỏ Việt Nam.
Voọc mũi hếch là 1 trong 25 loài linh trưởng có nguy cơ tuyệt chủng trên thế giới