Chránená krajinná oblasť Ponitrie sa nachádza v dvoch odlišných orografických celkoch - Tribeči a Vtáčniku. Líšia sa po stránke geologickej stavby, typológie lesov, rastlinných a živočíšnych spoločenstiev.

Tribeč patrí ku starým jadrovým pohoriam. Budujú ho kryštalické bridlice, granodiority, ale i horniny mezozoika (vápence, dolomity, kremence, bridlice), z ktorých k morfologicky ojedinelým patria kremencové hôrky, lemujúce jeho chrbát zo západu na východ. Typické pre Tribeč sú dubovo-hrabové, dubové a vo vyšších polohách bukové lesy. Vzhľadom na svoju nadmorskú výšku, geologické podložie a expozíciu, Tribeč pokrývajú zväčša teplomilné rastlinné spoločenstvá. Rastú tu vzácne a chránené druhy ako peniažtek slovenský, hrdobárka páchnuca, hrachor benátsky, kosatec nízky, hlaváčik jarný, poniklec veľkokvetý, ľalia zlatohlavá a rad ďalších chránených druhov

Mladšie pohorie sopečného pôvodu - Vtáčnik je súčasťou vulkanického Slovenského stredohoria. Najrozšírenejšie v jeho území sú andezity a ich pyroklastiká. Pre Vtáčnik sú typické bukové porasty a zmiešané porasty buka a jedle. Vrchol Vtáčnika pokrývajú bukové porasty krovitého vzrastu, tzv. listnatá kosodrevina s pôvodným smrekom, v ktorej sa objavujú horské druhy rastlinstva, ako sú mačucha cesnačkovitá, kamzičník rakúsky, chlpaňa lesná, iskerník platanolistý, prilbica moldavská a pozoruhodný výskyt má škarda sibírska. Vzácne sa tu vyskytuje aj tis obyčajný.

Zo zástupcov fauny Chránenej krajinnej oblasti Ponitrie si pozornosť zaslúži výskyt rysa a mačky lesnej ako pôvodných šeliem. Vo Vtáčniku, ale i Tribeči sa čoraz častejšie objavuje medveď hnedý a občas aj vlk. Ďalej sa vyskytuje jelenia, v nižších polohách srnčia a diviačia zver. Veľmi dobre sa v Tribeči darí danielej a muflónej zveri, ktorá bola na Slovensku introdukovaná v roku 1867. Zo vzácnych dravcov  v oblasti hniezdi  orol kráľovský, orol krikľavý a včelár lesný. Zo sov okrem bežných druhov je to výr skalný, sova dlhochvostá a kuvičok vrabčí. Z kurovitých vtákov treba spomenúť jariabka hôrneho, ktorého stavy vo Vtáčniku sú už pomerne nízke. Zo spevavcov za pozornosť stojí napríklad muchárik malý, z ďatľov sa vyskytujú všetky druhy. Z obojživelníkov sa bežne vyskytuje salamandra škvrnitá, skokan hnedý, z plazov je pozoruhodný početný výskyt užovky stromovej, vo Vtáčniku sa vzácne vyskytuje aj vretenica severná. Územie je bohaté aj na mnohé vzácne a chránené bezstavovce, ako sú napríklad fuzáč obrovský, fuzáč alpský, roháč veľký, sága stepná. Z motýľov je to napr. jasoň chochlačkový, vidlochvost ovocný a feniklový, z pavúkov stepník červený.