Con un dislivello che passa dai 500 metri sul livello del mare agli oltre 2.000 metri della vetta più alta, nel Parco del Frignano coesistono ambienti naturalistici molto diversificati: ampie vallate solcate da ruscelli si alternano a fitti boschi di faggio e conifere, estese brughiere a mirtillo lasciano spazio a limpidi specchi d’acqua.
Il lungo tratto di crinale conserva testimonianze delle glaciazioni che interessarono ciclicamente le alte valli appenniniche, e in particolar modo dell’ultima, nota come “Wurmiana”, iscrivibile in un periodo tra 75.000 e 10.000 anni fa. Sotto alle cime è facile imbattersi in circhi glaciali con le classiche conche arrotondate, spesso addolcite dai successivi processi erosivi: splendidi esempi sono quelli dei versanti del gruppo Monte Giovo - Monte Rondinaio con il Lago Santo e il Lago Baccio, e quelli tra Rondinaio e Foce Giovo, con i laghetti Torbido e Turchino. In diversi punti del crinale sono inoltre chiaramente riconoscibili le morene, depositi di detriti trasportati dalle masse glaciali che hanno creato cordoni e dossi. Evidenti depositi morenici possono essere osservati nella zona Lagacci di Montalbano e della Porticciolo - dove le frequenti contropendenze favoriscono la formazione di pozze temporanee - oppure nell'ampia valle dell'Ospitale, tra Capanna Tassone e il vicino paese.
Un’altra peculiarità dell’area montuosa del parco, particolarmente evidente nella zona del Lago Pratignano e dello Scaffaiolo, è il cosiddetto sdoppiamento delle creste, un fenomeno che si ritiene causato da movimenti franosi, lungo strati argillosi o fratture, che hanno suddiviso la dorsale originaria in due creste parallele.
Nelle alte valli convivono affioramenti rocciosi di colore bruno-grigiastro, la cui regolare stratificazione si deve all’alternanza di arenarie e rocce argillose sedimentate fra 30 e 17 milioni circa di anni fa, e rocce argillose di colore grigio scuro, ma a volte anche rosso o verdastro, la cui maggiore erodibilità ha determinato il modellarsi di versanti più dolci. La colorazione varia e vivace delle rocce è dovuta alla presenza, anche in percentuale bassissima, di pigmenti: ossidi di ferro (da rosso vivo a giallo) e di manganese (nero-blu iridescente).
A fondo valle, particolare importanza assumono i laghi di origine più antica, evoluti in torbiere, e le depressioni ricolme di detriti alluvionali che oggi hanno l'aspetto di conche verdeggianti: su torbe e sedimenti lacustri si depositano infatti i pollini e le spore delle piante che vivono nelle vicinanze e le particolari condizioni di acidità, umidità e assenza di ossigeno ne rallentano la decomposizione. Nei pressi dei laghi si trovano quindi ancora esempi di vegetazione per lo più rara o scomparsa, come fitti boschi di abeti rossi.