ลักษณะภูมิประเทศ
สภาพพื้นที่อุทยานแห่งชาติขุนแจเป็นภูเขาสูงและที่ราบสลับเนินเขา ประกอบด้วยหิน 2 ชนิด คือ หินอัคนีและหินตะกอน พื้นที่ส่วนใหญ่จะเป็นหินแกรนิตซึ่งเป็นหินที่พบเห็นได้ทั่วไปตามภาคเหนือของไทย หินแกรนิตเกิดจากการหลอมละลาย ของชั้นหินภายใต้ผิวโลกและถูกแรงบีบคั้นจนไหลออกมาตามรอยแยกบนพื้นโลก และเย็นลงอย่างช้าๆ และ ปรากฏขึ้นบนผิวโลกโดยขบวนการพังทลาย หินแกรนิตจะดูคล้ายกับเกล็ดเกลือสะท้อนแสง และพริกไทยสีดำขนาดใหญ่ ส่วนที่เป็นสีขาวคล้ายเกลือนั้น คือ แร่ควอซ์ดและ เฟลสปา ส่วนที่เป็นสีดำ คือ ไมก้า หินอัคนีอีกชนิดหนึ่งที่พบในอุทยานแห่งชาติ เรียกว่า บะซอลท์ (basaltic) ซึ่งเกิดจากลาวาภูเขาไฟที่เย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว เป็นหินสีเทาที่มีเนื้อละเอียด หินภูเขาไฟเหล่านี้สามารถพบทางแถบตะวันออกของอุทยานแห่งชาติ ส่วนหินตะกอน หินทราย และหินเชล เกิดจากการทับถมของตะกอนในแม่น้ำเวลานานเข้า จึงเกิดเป็นชั้นหินทรายที่พบในอุทยานแห่งชาติขุนแจ เป็นเม็ดทรายขนาดเล็กสีเทาทับถมเป็นชั้นๆ หินเชลมีสีเป็นสีเนื้ออ่อนและง่ายต่อการแตกหัก จุดสูงสุดคือยอดดอยลังกาหลวง มีความสูงถึง 2,031 เมตรจากระดับน้ำทะเลปานกลาง เป็นแหล่งต้นน้ำลำธารของแม่น้ำลาวซึ่งไหลลงสู่แม่น้ำกก
ภูมิประเทศของอุทยานแห่งชาติ ส่วนใหญ่เป็นหุบเหว ซึ่งเกิดจากการกระทำของกระแสน้ำกัดเซาะ จนทำให้เกิดน้ำตกมากมาย ปริมาณน้ำฝนที่มากจึงมีอัตราการพังทลายของดินที่สูง ทำให้เกิดภูมิประเทศที่เป็นหุบเหวลึกนี้
ลักษณะภูมิอากาศ
ฤดูแล้งในอุทยานแห่งชาติขุนแจ อยู่ระหว่างเดือนพฤศจิกายน-กรกฎาคม มีอุณหภูมิประมาณ 2-29 องศาเซลเซียส ฤดูฝนเริ่มตั้งแต่เดือนกรกฎาคม-กุมภาพันธ์ มีฝนตกเฉลี่ย 60 มิลลิเมตร/เดือน มีอุณหภูมิประมาณ 19-29 องศาเซลเซียส ส่วนฤดูร้อนตั้งแต่เดือนมีนาคม-มิถุนายน (เป็นช่วงที่มีการเกิดไฟไหม้) อุณหภูมิอยู่ระหว่าง 22-23 องศาเซลเซียส
พืชพรรณและสัตว์ป่า
อุทยานแห่งชาติขุนแจมีพันธุ์ไม้ที่เปลี่ยนแปลงไปตามระดับความสูงของพื้นที่จาก 300-800 เมตร จะเป็นป่าไผ่และป่าเบญจพรรณระดับความสูง 800-1,000 เมตร เป็นป่าดงดิบและป่าเต็งรัง มีความสูงระหว่าง 1,000-1,500 เมตร เป็นป่าดิบและป่าสน ส่วนสภาพป่าที่สูงกว่า 1,500 เมตรขึ้นไป เป็นป่าดิบเขาบริเวณหุบห้วย ปกคลุมไปด้วยต้นไม้หนาแน่นเขียวชอุ่มซึ่งเป็นไม้จำพวกยางชนิดของต้นไม้ที่พบเป็นพืชชั้นล่างที่เด่น ได้แก่ กล้วยป่า เฟิน มอส และหญ้าที่ขึ้นตามชายน้ำ
สัตว์ป่าที่พบเห็นได้ในอุทยานแห่งชาติขุนแจ สามารถพบเห็นได้แตกต่างกันตามสภาพถิ่นที่อยู่อาศัยและช่วงเวลาระหว่างวันในหุบเขาริมธารและป่าชุ่มชื่นเป็นบริเวณที่มีพืชพันธุ์เขียวชอุ่ม ซึ่งพบเห็นสัตว์ป่าหลายชนิด ได้แก่ ชะมด หมูป่า เก้ง เม่น กระรอกหลายชนิด ทั้งที่อาศัยอยู่บนต้นไม้และพื้นดิน ค้างคาว กระต่ายป่า สัตว์ที่คาดว่าจะพบได้ในอุทยานแห่งชาติ เช่น หมี ลิงลม ชะนีธรรมดา แมวป่า เลียงผา นกต่างๆ เช่น นกแซงแซวสีเทา เหยี่ยวรุ้ง เหยี่ยวนกเขาซิครา นกจับแมลงหัวเทา นกตีทอง นกเขียวก้านตองปีกสีฟ้า ไก่ป่า สัตว์เลื้อยคลานเช่น งูเขียวหางไหม้ งูจงอาง กิ้งก่าบิน ตุ๊กแก จิ้งเหลน เป็นต้น