Zwei Hügelketten, Hainich und Dün, umschließen den Kreis. Der Hainich besitzt das größte zusammenhängende Laubwaldgebiet Europas. Die Buche ist eine der am häufigsten zu findenden Baumarten. Neben dem äußerst vielfältigen Laubbaumbestand leben hier seltene vom Aussterben bedrohte Tiere, wie zum Beispiel Wildkatze und Schwarzstorch. Durch den Status Nationalpark kann sich die Tier- und Pflanzenwelt ungestört entwickeln.
Eingebettet ist der Nationalpark in den Naturpark Eichsfeld-Hainich-Werratal. Während der Nationalpark vorwiegend die Unterschutzstellung der Natur zum Ziel hat, fördert der Naturpark Eichsfeld-Hainich-Werratal die Entwicklung der Kulturlandschaft.
Vom Westen nach Osten durchfließt die Unstrut das Gebiet. Sie entspringt bei Kefferhausen im Eichsfeldkreis. Zwischen den Gemeinden Nägelstedt und Großvargula hat sich die Unstrut einen Weg durch die Muschelkalkfelsen gewaschen und eine wunderbare Landschaft geschaffen. Auf einer Länge von sechs Kilometern schlängelt sich der Fluss durch das romantische Tal.
Besonders das Eichsfeld gehört mit seinen Dörfern zu den landschaftlichen Perlen des Landkreises. Ehemals dem Kurfürstentum Mainz angegliedert, umfasst es ein Territorium, das sich auf verschiedene nordthüringische Kreise und Niedersachsen erstreckt.
Zum Schutz der ehemals freien Reichsstadt Mühlhausen, vor räuberischen Überfällen aus dem Eichsfeld, wurde vor mehr als 600 Jahren der 26 km lange Landgraben angelegt. Dieser Schutzwall, aus Gräben und einem dichten Heckenzaun, gehört zu den bedeutendsten Bodendenkmälern Europas.
Der Landkreis beherbergt eine Reihe von Landschaftsschutzgebieten, wie z.B. die Halbtrockenvegetation der Grabschen Berge, den Eibenwald bei der Klosterschranne oder die Bruchwiese bei Bad Tennstedt.
Erholsame Stille und noch weitgehend unberührte Natur bieten auch die Herbslebener Teiche, das Tal der Unstrut, das Hochmoor bei Neunheilingen, die Gläserlöcher bei Bad Tennstedt oder die Wachholderweide bei Craula.
