Maastikud
Põhja-Kõrvemaa suurejooneliste maastike kujunemist on mõjutanud valdavalt mandrijää tegevus. Kaitsealal asuvad kaks servakuhjatise kaart: Aegviidu-Paukjärve, u 16 km pikkune ja Kulli-Koitjärve, u 8 km pikkune. Siin on kuni 100 m kõrguseid ja järskude nõlvadega oose, mõhnasid, lavasid. Seljakute ja mõhnade vahel ning ümber laiuvad kunagistest järvedest tekkinud rabad. Mattunud jääpankade asemeid tähistavates nõgudes asuvad sügavad järved.
Metsad
Põhja-Kõrvemaa on eelkõige metsade ja soode maastik. Metsad sh soostunud ja soometsad katavad 78% kaitseala pindalast. Esineb nõmmemetsi, palumetsi, laanemetsi, salumetsi, sürjametsi. Palju on soostunud metsi. Põhja-Kõrvemaa metsad muudab eriliseks asjaolu, et kohati esineb väga väiksel alal palju erinevaid kasvukohatüüpe, mille põhjuseks on vahelduv reljeef ja mullastik. Erinevate kasvukohatüüpide arv suureneb lõuna suunas. Suured puutumata metsaalad pakuvad sobivaid elupaiku suurulukitele: hundile (Canis lupus), pruunkarule (Ursus arctos), ilvesele (Lynx lynx), põdrale (Alces alces) ja metskitsele (Capreolus capreolus).
Sood ja rabad
Raba ning madal- ja siirdesookooslused hõlmavad ligi 50% kaitsealast. Peamiselt on need kõrgsood ehk rabad, millest suurimad on laukarohked Koitjärve raba, Kõnnu Suursoo ning Võhma raba.
Nõmmed
Jussi mõhnastikus laiuv militaartekkeline kanarbikunõmm on üks Põhja-Kõrvemaa kaitseala esinduslikumaid biotoope. Kooslus on tekkinud pinnase süttimisel ala polügoonina kasutamise ajal. Siin on sobivad toitumis- ja elupaigad kaitsealusele liblikaliigile, nõmme-tähniksinitiivale (Maculinea arion). Nõmm pakub elupaiku kivisisalikule (Lacerta agilis), tetredele (Tetrao tetrix), nõmmelõokesele (Lullula arborea) ning toitumispaika kaljukotkale (Aquila chrysaetos). Nõmmel kasvavad palu- ja aas-karukell (Pulsatilla patens, P. pratensis) ning nõmm-vareskold (Diphasiastrum tristachyum).
Järved ja jõed
Kaitsealal asub 30 järve, koos suurte rabalaugastega küünib nende arv kuni 50. Mitmed järved on senini ühed Eesti puhtaimad ja hea vee läbipaistvusega. Ala ilmestavad Jussi, Metstoa ja Järvi järvederühmad. Põhja-Kõrvamaal asuvad kolm Põhja-Eesti viiest sügavamast järvest, sügavaim on 14 m sügavune Metstoa Umerikjärv. Tähelepanuväärne on 11 meetrit sügav Paukjärv, mille läbipaistvus ulatub 6 meetrini ning mis on oma nime saanud mitmekordse kaja järgi. Vähetoitelises ja üle 7 meetrit sügavas Mähuste järves kasvavad mitmed kaitsealused ja vähearvukad taimeliigid nagu vesilobeelia (Lobelia dortmanna), muda-lahnarohi (Isoetes echinospora), järv-lahnarohi (I. lacustris), lamedalehine jõgitakjas (Sparganium angustifolium) ja väike vesikupp (Nuphar pumila).
Vooluvetest on olulisemad kaitseala idapiiril voolav Valgejõgi ja Soodla jõgi. Valgejõgi on lõheliste elupaigana kaitstav veekogu, kust on teada 23 kalaliigi esinemine. Soodla jõe vähirikkuse hävitas vähikatk 1999.-2000. aastal. Jõevähid (Astacus astacus) on jõkke taas asustatud, kuid nende arvukus on veel madal. Järvi Pikklaukast algab Pudisoo jõgi, mida keskjooksul tuntakse ka Pärlijõena.
Elurikkus
Erinevate kasvukohtade rohkus lubab eeldada suurt liigirikkust. Kuna kaitseala oli pikka aega tavainimesele suletud, on elustiku uuringuid vähe tehtud. Teadaolevalt pesitseb kaitsealal vähemalt 128 linnuliiki, kellest märkimisväärsemad on kaljukotkas, teder, metsis, sookurg (Grus grus), must-toonekurg (Ciconia nigra), nõmmelõoke (Lullula arborea) jt.
Selgrootustest kaitstakse rohe-vesihobu (Ophiogomphus cecilia) ja paksukojalist jõekarpi (Unio crassus).
Soontaimi on määratud 511, samblaid 129 ja samblikke 214 liiki. Taimedest on kõige haruldasem mägi-lipphernes (Oxytropis campestris), kelle ainus kasvukoht Eestis asub Põhja-Kõrvemaal. Tähelepanuväärne taim on ka parasiitne põdrajuure-soomukas (Oxytropis campestris), kes parasiteerib sarikalisel vahelmisel põdrajuurel (Libanotis montana). Erinevates metsa kasvukohades kasvavad käpalised: roomav öövilge (Goodyera repens), vööthuul-sõrmkäpp (Dactylorhiza fuchsii), kahelehine käokeel (Platanthera bifolia).
Seentest on leitud kaitsealust kährikseent (Sparassis crispa).
