ลักษณะโครงสร้างทางธรณีวิทยา

ดอยนางนอนเกิดอยู่ในยุคคาร์บอนิเฟอรัส (Carboniferous) ต่อยุคเพอร์เมียน (Permian) ช่วงอายุระหว่าง 230-250 ล้านปี หินที่พบเป็นหินปูน (imestone) และหินอ่อน (Marble) สลับด้วยหินดินดาน (Shale) สีเทา ในช่วงวลาที่เกิดหินเหล่านี้เป็นช่วง 2 ยุคสุดท้ายในมหายุคพาลีโอโชอิก(Paleozoic Era) ในขณะนั้นแอ่งสะสมตะกอนในภาคเหนือตื้นขึ้นมากเป็นพิเศษ จึงมีการสะสมตัวของตะกอนคาร์บอเตสลับกับตะกอนดินเหนียว เมื่อแข็งตัวกลายเป็นหินที่มีลักษณะหินปูนสลับกับหินดินดานและมีหินหนืด (Magma) ใต้ผิวโลกแทรกขึ้นมาส่งผลให้หินปูนแปรเปลี่ยนเป็นหินอ่อนในช่วงปลายยุคดาร์บอนิเฟอรัสต่อยุคเพอร์เมียนนี้ ซึ่งเรียกว่า หมวดหินราชบุรี (Ratburi group)

สภาพภูมิประเทศและสภาพภูมิอากาศ

ดอยนางนอนพื้นที่ส่วนใหญ่เป็นภูเขาหินปูนผสมหินอ่อน สูงจากระดับน้ำทะเลระหว่าง 300-1,321 เมตร ขาหน้าผาสูงชัน จุดสูงสุดอยู่ที่ดอยจ้อง มีถ้ำและขุนน้ำเป็นที่สนใจแก่นักท่องเที่ยว คือ ถ้ำหลวง ถ้ำพระ ถ้ำเลียงผา ถ้ำพญานาค ถ้ำทรายทอง และขุนน้ำนางนอน ซึ่งเป็นบ่อน้ำขัง ซึ่งซึมผ่านออกมาจากรอแยกของหินมีน้ำตลอดปี มีความอุดมสมบูรณ์ของธรรมชาติอยู่มากและมีสภาพอากาศที่เย็นสบายถึงแม้จะเป็นฤดูร้อนเพราะอยู่ในพื้นที่หุบเขา

สภาพป้าและพรรณไม้

สภาพป่าโดยทั่วไปเป็นป่าเบญจพรรณผสมดิบแล้ง และบางช่วงเป็นป่าโปร่งมีไม้ไผ่หลายชนิดขึ้นกระจัดกระจาย ไม้บนสุดที่มีเรือนยอดเด่น คือ เลี้ยงผึ้ง หม่อนหลวง และมะแฟน เป็นตัน นอกจากนั้นช่วงทางเดินตลอดเส้นทางระหว่างถ้ำหลวงถึงขุนน้ำนางนอน จะพบการแบ่งเขตของป่าจากป่าเบญจพรรณสู่ป่าดิบแล้งอย่างชัดเจน

รวมทั้งป่าซึ่งพื้นคืนสภาพจากการถูกทำลาย บริเวณชิงเขามีลำธารไหลเลาะลอดช่องเขาที่มีหน้าผาสูงชันทำให้มีความขึ้นสูงอากาศเย็นจึงมีสภาพป่าเป็นป่า ดิบแล้งลักษณะไม้ต้นสูง ไม้พุ่ม และไม้ล้มลุกเกาะอยู่ตามหน้าผาหลากหลายชนิด บนยอดดอยตั้งแต่ระดับความสูง 1,000 เมตรขึ้นไป เป็นช่วงยอดเขาและสันเขาเป็นที่โล่งและมีความแห้งแล้งสูง พรรณไม้กระจายเป็นหย่อม ๆ สลับกันออกดอกตลอดปี