Национальный парк расположен на слабоволнистой равнине на стыке южного склона Клинско-Дмитровской гряды и северо-западной оконечности Подмосковной Мещеры, занимает Клязьмо-Яузско-Пехорский водораздел. Абсолютные высоты колеблются от 146 м до 178 м.

На территории национального парка выделяются следующие крупные геоморфологические единицы: Мытищинская водноледниковая наклонная равнина (в северной части парка), Верхне-Яузский озерно-болотный массив, Яузская моренно-зандровая волнистая равнина, Лосиноостровская возвышенная моренная равнина с отдельными моренными пологими холмами и заболоченными западинами, Верхне-Пехорская слабоволнистая зандровая супесчаная равнина.

Национальный парк отличается исключительной для его небольшой площади пестротой почвенно-грунтовых условий, что обусловлено сочетанием здесь различных по геоморфологии территории. Основными почвообразующими породами являются валунные супеси и пески древнеаллювиальных и межморенных отложений, глины и суглинки верхней морены, современные отложения. Наиболее распространены суглинистые дерново-подзолистые почвы, затем — супесчаные и песчаные. По ложбинам и вдоль водотоков встречаются почвы избыточного увлажнения.

Леса занимают немногим более 80% площади национального парка. На долю хвойных лесов приходится 38%, березняков — 42%, широколиственных лесов — немногим более 16% лесопокрытой площади. В целом леса с доминированием сосны (Pinus sylvestris) занимают 21% лесопокрытой площади, ели (Picea abies) — 15%, лиственницы (Larix sp.) — более 1%, березы (Betula pendula, В. pubescens) — 45%, липы (Tilia cordata) — 12%, дуба (Quercus robur) — около 3%.

Северная и южная части парка различаются по характеру растительности. В северной части — лесные культуры и «ландшафтные» посадки. В южной — целостным массивом сохраняются старые сосновые леса, производные от коренных ельников. Преобладают сосняки с богатым травяным покровом. Древостой состоит из двух подъярусов, в первом доминирует сосна (Pinus sylvestris), но встречается и ель (Picea abies), второй подъярус сложен елью. Негустой подлесок состоит из лещины (Согу-lus avellana). В травяном покрове преобладает кислица (Oxalis acetosella), много ландыша (Convallaria majalis), майника двулистного (Maianlhemum bifolium), папоротников — щитовника игольчатого (Dryopteris carthusiana) и кочедыжника женского (Athyrium filix-femi-па), встречаются зеленчук желтый (Galeobdo-lon luteum), сныть (Aegopodium podagraria).

В центральной части парка ельники были почти полностью уничтожены и заменили липняки и березняки. Второй ярус сложен почти исключительно широколиственными породами. Основу подлеска составляют лещина (Corylus avellana), жимолость лесная (Loniceга xylosteum), рябина (Sorbus aucuparia), калина (Viburnum opulus), бузина красная (Sambucus racemosa), черемуха (Padus avium), бересклет бородавчатый (Euonymus verrucosa). В травяном покрове доминируют кислица (Oxalis acetosella) и зеленчук (Galeobdolon luteum), им сопутствуют сныть (Aegopodium podagraria), копытень (Asarum europaeum), осока волосистая (Сагех pilosa), ландыш (Convallaria majalis), щитовник мужской (Dryopteris filix-mas).

В западной части парка сохранились небольшими участками сосновые леса (Pinus sylvestris) с примесью липы (Tilia cordata), дуба (Quercus robur), частично ели (Picea abies). Подлесок средней густоты из лещины (Corylus avellana) с примесью бересклета бородавчатого (Euonymus verrucosa), жимолости лесной (Loniccra xylosteum), рябины (Sorbus aucuparia), крушины (Frangula alnus). В травяном покрове преобладают неморальные виды.

В восточной части парка распространены сосняки и ельники бореального типа, реже встречаются березняки с примесью ели и сосны.

Исключительно интересный объект парка — Алексеевская роща, на территории которой длительное время сохранялся заповедный режим. Это уникальный участок леса почти 250-летнего возраста, основной лесообразующей породой которого является сосна (Pinus sylvestris) [14].

Лосиный остров всегда славился богатством животного мира. Благодаря значительной площади массива, сочетанию самых различных местообитаний и длительному ограничению на его территории лесохозяйственной деятельности, он и в наши дни, когда его с трех сторон окружила городская застройка, в фаунистическом отношении остается одним из самых интересных среди подмосковных лесов. В последние 10 лет, благодаря восстановлению крупного водно-болотного комплекса в верховьях р. Яузы и выделению значительной по площади заповедной зоны (где почти полностью прекращена хозяйственная деятельность и резко снизилась посещаемость людьми), здесь сформировался очень интересный орнитокомплекс из околоводных и луговых видов птиц, возникли великолепные нерестилища. В парке удалось успешно реакклиматнзировать бобра (Castor fiber). Все это вселяет надежду на дальнейшее пополнение фауны парка за счет исчезнувших отсюда в недавнем прошлом видов.

За последние 30 лет на территории парка отмечены немногим менее 280 видов позвоночных животных. Из них 45 видов — млекопитающие, около 200 видов — птицы, из которых для 139 видов установлен факт гнездования. Пресмыкающиеся представлены 4 видами, земноводные — 8, рыбы — по крайней мере, 19 видами.

Безусловно, сильнейшее и неоднозначное влияние на фауну «Лосиного острова» оказывают антропогенные факторы. Под прессом антропогенных нагрузок часть видов, характерных для Подмосковья в целом, исчезла за последние 70-100 лет (филин, глухарь, черный аист, рысь). Сложившийся на верхней Яузе водно-болотный комплекс целиком техногенного происхождения стал важнейшим в ближнем Подмосковье местом гнездования водоплавающих и околоводных птиц. Многочисленный в Парке речной бобр, расселяясь вниз по Яузе, проникает, в последние 4-5 лет, на территорию Москвы. Также в последние 3-4 года идет процесс расселения двух видов уток (гоголь и огарь) из так называемой «зоопарковской» популяции из города в область именно через верхнюю Яузу. А для мелких воробьинообразных птиц «Лосиный остров» служит важнейшим естественным коридором проникновения в центральные районы Москвы для поддержания численности нестабильных городских популяций [16].

Следует заметить, что из-за недостатка в Парке открытых местообитаний, ряд вполне обычных видов животных, характерных для луговых сообществ, отсутствует в «Лосином острове» или их популяции находятся в угнетенном состоянии (заяц-русак, полевой жаворонок, чибис).

Именно из национального парка «Лосиный остров» началось расселение по Московским лесам и лесопаркам ястреба-тетеревятника. Ястреб-тетеревятник - единственная в городе хищная птица, способная справиться с серой вороной. В национальном парке «Лосиный остров» вполне обычны редкие для других лесных массивов Москвы крапивник и лесная завирушка, обитатели хвойных лесов желтоголовый королек – самая маленькая птичка отечественной фауны, чиж, синицы, гаечка и московка, лучшие лесные певцы – малая мухоловка, певчий и черный дрозды. Во время пролетов и кочевок в городской части национального парка любителям природы может посчастливиться встретить даже таких редчайших для Подмосковья птиц, как беркут, белая сова, серый журавль, серый сорокопут, белая лазоревка.