雅鲁藏布大峡谷是世界最大峡谷,帕隆藏布大峡谷是世界第三大峡谷。地形总的趋势是自西北向东南倾斜,高差悬殊大,最高为喜马拉雅山东端米林与墨脱两县交界的南迦巴瓦峰,海拔7756米,最低在雅鲁藏布江下游墨脱县巴昔卡,海拔155米,相对高差7601米,全地区境内具有典型的高山峡谷与山地河谷地貌。
全地区冰川及常年积雪面积达6728.2平方千米,占土地面积的5.78%,仅次于新疆自治区,居全国第二。现代冰川大多属海洋性冰川,工布江达、朗县西部为海洋性和大陆性过渡性冰川。念青唐古拉山脉东段南坡波密县易贡八玉沟的卡钦冰川长32千米,面积170多平方千米,冰舌末端海拔为2530米,是全国最大的海洋性冰川。冰川雪线分布高度自东南向西北升高。丰富的冰雪资源提供了充沛的水源。夏季冰川大量消融,常出现巨大冰川泥石流,造成自然灾害。
境内河流、湖泊、溪流广布,河流水面积78.37万亩,占土地面积的0.46%。因地势由北向南倾斜,河水均南流出境。河流主要属雅鲁藏布江、怒江两大水系,其余有吉太河、察隅河、丹龙河等河,水能蕴藏量在8200万千瓦以上,可开发利用水能资源达3300万千瓦,占全区的56%,已开发利用的有18211.6千瓦。林芝地区为高山切割地形,大大限制了湖泊的发育,一些湖泊还因湖盆被切穿而消失,湖泊水面积38.23万亩,占土地面积的0.22%,较大湖泊有工布江达县错高湖,波密县易贡湖、帕隆湖、古乡湖及察隅县八嘎湖等。
林芝地区林地面积为246万公顷,占土地总面积的53.01%;森林覆盖率为46.09%,活木蓄积量8.82亿立方米,占全区木蓄积量的64.9%,是全国最大的原始林区。具有热带、亚热带、寒温带和湿润、半湿润气候带的各种森林植被,是世界生物多样性最典型地区,高等植物达2000多种。木本植物有上百种,几乎从亚热带到寒温带的各种针、阔叶树种均有分布,林木主要有云杉、冷杉、铁杉、高山松、乔松、华山松、云南松、落叶松、柏木、白桦、青冈、香椿、樟木等,其中乔松、巨柏、喜马拉雅冷杉属稀有树种。有野生动物340余种,其中哺乳动物63种,鸟类232种,爬行动物25种,两栖类20种,昆虫类有1800多种。