Z geologického hľadiska 2/3 národného parku reprezentuje jadrová časť tvorená žulami a kryštalickými bridlicami a 1/3 zaberá obalová časť z vápencov a dolomitov (Belianske Tatry, Červené vrchy, Sivý vrch).
Tatry sú jedinečným fenoménom z hľadiska formovania svojho povrchu (najmä glaciálne, glacifluviálne a periglaciálne formy). Na tvorbe reliéfu sa najvýraznejšou mierou podieľali ľadovce, ktoré vymodelovali dlhé ľadovcové doliny so širokými kotlami, skalné hrebene, štíty a skalné steny. Z niekoľkých desiatok ľadovcov bol najväčší v Bielovodskej doline, mal dĺžku asi 14 km a hrúbku okolo 300m.
Eróznou a akumulačnou činnosťou ľadovcov boli vytvorené mohutné morény s hradenými jazerami (Štrbské pleso), ale i plesá v karoch, či panvách - celkovo vyše 100 plies. Najväčšie a najhlbšie z tatranských plies je Veľké Hincovo pleso v nadmorskej výške 1946 m, s rozlohou 20 ha a hĺbkou 53 m. Najvyššie položené jazero je Modré pleso (2192 m.n.m.).
Impozantné sú rozličné formy štítov, brál, sutiny, kamenné moria a osobitné formy pôd (polygonálne, girlandové, kopčekovité). Na vápence a dolomity obalovej časti národného parku sú viazané krasové javy ako sú priepasti, škrapy, kaňony a tiesňavy, jaskyne, vyvieračky a vodopády. Z početných jaskýň je najznámejšia Belianska jaskyňa (objavená v roku 1881 s dĺžkou 1752 m), ktorá je počas celého roka sprístupnená verejnosti. Vysoká hodnota neživej prírody spočíva najmä v rozmanitosti veľmi atraktívnych tvarov povrchu a v ich sústredení na pomerne malom priestore.
Územie patrí k dvom úmoriam: baltskému s prítokmi Visly (Dunajec) a čiernomorskému s prítokmi Dunaja (Váh).
Klimaticky prevažuje chladná oblasť vysokohorského (Vysoké Tatry a Roháčska časť Západných Tatier) a horského typu (Západné a Belianske Tatry).
