Krkonoše spolu s některými okolními horskými celky vytvářejí tzv. krkonošsko-jizerské krystalinikum, které je budováno proterozoickými až paleozoickými krystalickými břidlicemi (zvláště svory, fylity a ortoruly; stáří 600-1000 milionů let). Z dalších podružných hornin jsou tu křemence, čedič a krystalické vápence, které přes plošně menší rozsah mají velký význam pro utváření reliéfu i strukturu vegetace. Do krystalinika, které bylo v prvohorách dvakrát zvrásněno, pronikl při druhém vrásnění během karbonu žulový pluton, vytvářející větší část hlavního hřebene a téměř celou polskou část pohoří. S jeho existencí je spojen vznik tvrdého kontaktního pásma, majícího zásadní vliv na další geomorfologický vývoj pohoří. Mimo to jsou na něj vázána i nejvýznamnější rudní ložiska Krkonoš.
V druhohorách a první polovině třetihor, kdy panovalo na našem území tropické resp. subtropické klima, byly Krkonoše modelovány chemickým zvětráváním, což vedlo ke vzniku plochého a měkkého reliéfu, tzv. zarovnaných povrchů. K výrazné změně došlo v mladších třetihorách, kdy byly horotvornými pohyby, vyvolanými vrásněním v sousední alpské a karpatské oblasti, etapovitě vyzdviženy i Krkonoše. Dosáhly přitom již přibližně dnešní výšky, což vedlo k prudkému oživení vodní eroze a tím i následnému rozčlenění zarovnaných povrchů do podoby členitého horského reliéfu, jak ho známe dnes.
Významným geomorfologickým činitelem bylo i zalednění pohoří, k němuž došlo v ledových dobách ve čtvrtohorách, kdy byl reliéf modelován jak horskými ledovci (vznik karů, jezer, morén atd.), tak mrazovými procesy (vznik kryoplanačních teras, mrazových srubů a sutí, polygonálních a brázděných půd atd.). Jmenované formy patří k nejcennějšímu neživému fondu chráněného území.
V poledové době jsou hlavními modelačními činiteli v Krkonoších vodní eroze, svahové sesuvy a antropogenní vlivy; v méně nápadné formě se uplatňuje i mrazové a biologické zvětrávání a lavinová eroze, ve vápencích přistupuje ještě krasovění.
Říční síť Krkonoš vznikla ve třetihorách a čtvrtohorách. Jde o horní úseky toků, které mají charakter bystřin se všemi typickými rysy jako jsou velký spád koryta, prudkost toku, značné výkyvy stavu vodní hladiny a průtoků nebo neustálené dno díky velké unášecí síle vody. Jejich údolí jsou vesměs úzká, sevřená a hluboká a na území biosférické rezervace často souvisle zalesněná.
Na některých místech v subalpínském i v montánním stupni vznikla v terénních depresích nebo na výronech podzemních vod rašeliniště, která jsou většinou hlavními prameništi vodních toků, především Labe, Úpy a Mumlavy na české straně, Lomnice a Kamiennej na polské straně pohoří.
Přirozenými vodními nádržemi jsou nevelká jezera ledovcového původu hrazená morénovými valy: Wielki a Maly Staw a jezírka ve Snieznych Kotlach na polské straně a Mechové jezírko na české straně hor.
V Krkonoších je vyvinuta výrazná výšková půdní stupňovitost od podhorských po vysokohorské půdy. Ve vývoji všech typů půd se však projevuje vliv chladného a velmi vlhkého klimatu. S výjimkou rendzin, na plošně nepatrných ostrůvcích krystalických vápenců, jsou všechny krkonošské půdy kyselé.
V nejnižších partiích národního parku převládají hnědé půdy kyselé, výše přecházejí do rezivých půd (hnědé půdy podzolované), které jsou v Krkonoších vůbec nejrozšířenějším typem. Ostrůvkovitě se vyskytují rankery, zvláště na příkrých svazích, v subalpínském stupni často porostlé klečí. Nad 1000 m n.m. nastupují podzolované půdy, které přecházejí ve vrcholových partiích v alpínské půdy, s častým výskytem mrazem modelovaných půd, jejichž výskyt je v rámci Čech krkonošskou zvláštností.
Lokálně se vyskytují nivní půdy, provázející údolní nivy, glejové půdy, zvláště na prameništích a ve svahových prohlubních, a rašelinišťní půdy v podobě lesních vrchovišť a přírodovědecky významných subarktických vrchovišť v hřebenových částech pohoří nad alpínskou hranicí lesa. Krkonošská rašeliniště, zvláště vrcholová, jsou převážně vývojově stagnující a jejich mocnost nepřesahuje 2-3 m (většinou je menší než 1-1,5 m).
Krkonoše náleží do klimatického mírného pásu, pro který je typické střídání ročních období. Vzhledem k blízkosti Atlantického oceánu a k převládajícímu západnímu větrnému proudění tvoří hřebeny Krkonoš nejvyšší překážku proudům vlhkého, chladného vzduchu od oceánu, což se projevuje vysokým množstvím dešťových a sněhových srážek a nízkými teplotami. Ve srovnání s ostatními horskými pásmy Sudet mají Krkonoše v celoročním průměru nejdrsnější podnebí.
Průměrná roční teplota v Krkonoších kolísá mezi +6oC až 0oC (Žacléř 6,1; Karpacz 5,9; Szklarska Poreba 5,8; Harrachov 4,9; Špindlerův Mlýn 4,7; Szrenica 1,9; Sněžka 0,2oC).
Větrné poměry jsou vzhledem k velké členitosti pohoří složité. Převládají jihozápadní až severozápadní větry, časté jsou i vichřice o rychlostech přes 150 km/hod.. Větrné proudění je v Krkonoších výrazně ovlivněno reliéfem, vznikají zde zvláštní větrné systémy lokálního charakteru, které jsou společně s dalšími přírodními procesy (ukládání srážek, sluneční svit, vlhkost vzduchu, laviny) podstatou existence již zmíněných anemo-orografických systémů, zásadním způsobem ovlivňujících dlouhodobý vývoj přírodních poměrů Krkonoš.
Srážky přibývají s nadmořskou výškou: na úpatí Krkonoš je roční úhrn zhruba 800 mm, na hřebenech 1200 až 1400 mm. Sníh padá v Krkonoších prakticky po celý rok (alespoň v nejvyšších polohách), trvale zůstává ležet průměrně 7 měsíců (zhruba od poloviny října do poloviny května). Průměrná výška sněhové pokrývky se pohybuje mezi 150 až 200 cm. Během zimy však dochází k velkoplošnému přemísťování a přefoukávání sněhových mas z návětrných prostorů, svahů a hřbetů do závětří ledovcových karů a různých terénních prohlubní, vytvářejí se sněhová pole a převisy, padají sněhové laviny (kolem 50 frekventovaných lavinových drah).
Krkonoše přes svou malou rozlohu oplývají neobvykle bohatou flórou a v kontextu ostatních hercynských pohoří tak zaujímají mimořádně významné místo. Z dosavadních poznatků vyplývá, že zde roste více jak 1250 taxonů cévnatých rostlin, což je bezmála polovina veškeré původní flóry České republiky, a několikanásobně vyšší počet druhů rostlin bezcévných (výtrusných) - mechorostů, lišejníků, řas, hub, sinic, hlenek, jejichž soupis dosud není zdaleka uzavřen.
V pestrosti zdejší vegetace se odráží zvláštní biogeografická poloha Krkonoš jako celku (kontakt severské tundry a alpínských trávníků v době zalednění), utváření jejich reliéfu i nadmořská výška, zasahující nad alpínskou hranici lesa, která probíhá ve 1250 až 1350 m n.m.. Svědčí o tom mimo jiné řada pozůstatků z doby ledové (tzv. glaciálních reliktů), jako jsou ostružiník moruška (Rubus chamaemorus), všivec krkonošský (Pedicularis sudetica), lomikámen sněžný (Saxifraga nivalis), šídlatka jezerní (Isoetes lacustris), rašeliník Lindbergův (Sphagnum lindbergii) a další.
V době poledové vedla dlouhodobá izolace o mnoho vyšších krkonošských hřebenů, oproti středoevropské lesní krajině, ke vzniku osamoceného ostrova vysokohorské přírody. V něm se složitými genetickými pochody začaly vyvíjet nové odlišné druhy, poddruhy a variety - krkonošské endemity. Mezi ně náleží především jeřáb krkonošský (Sorbus sudetica), zvonek krkonošský (Campanula bohemica), lomikámen pižmový (Saxifraga moschata basaltica), bedrník skalní (Pimpinela saxifraga rupestris) a téměř tři desítky druhů jestřábníků rodu Hieracium.
Z hlediska vertikálního členění vegetace jsou v Krkonoších čtyři zřetelně vytvořené výškové (vegetační) stupně: submontánní (400 až 800 m n.m.), montánní (800 až 1200 m n.m.), subalpínský (1200 až 1450 m n.m.) a alpínský (1450 až 1602 m n.m.). Přestože jejich strukturu v minulých staletích více či méně pozměnila činnost člověka, lze je stručně přiblížit následujícími charakteristikami.
Listnaté a smíšené lesy jsou tvořené především bukem lesním (Fagus sylvatica), javorem klenem (Acer pseudoplatanus), jasanem ztepilým (Fraxinus excelsior), jeřábem ptačím (Sorbus aucuparia), olší šedou (Alnus incana) a na polské straně i modřínem opadavým (Larix decidua). V minulosti však byly převážně vykáceny a nahrazeny smrkovými monokulturami. V bylinném patře jsou zastoupeny jarní druhy rostlin jako je česnek medvědí (Allium ursinum), dymnivka dutá (Corydalis cava), sasanka hajní a pryskyřníkovitá (Anemone nemorosa, A. ranunculoides), kyčelnice devítilistá a cibulkonosná (Dentaria eneaphyllos, D. bulbifera), lilie zlatohlavá (Lilium martagon) a jiné.
Horské smrčiny (přirozené i člověkem vysázené) jsou v současné době silně poškozované vlivem průmyslových imisí. V bylinném patře převládají kapraďorosty (papratka horská Athyrium alpinum, kapraď samec Dryopteris filix-mas, žebrovice různolistá Blechnum spicant) a traviny (třtina chloupkatá Calamagrostis villosa, metlička křivolaká Avenella flexuosa). Na vlhčích místech převládá nivní vegetace s krabilicí chlupatou (Chaerophyllum hirsutum), devětsilem bílým a Kablíkové (Petasites albus, P. kablikianus) či řeřišnicí hořkou (Cardamine amara).
Z období budního hospodářství (18. století) se datuje vznik bezlesých enkláv s druhově velmi bohatými horskými loukami s violkou sudetskou (Viola sudetica), zvonkem krkonošským (Campanula bohemica), jestřábníky rodu Hieracium, náholníkem jednokvětým (Achyrophorus uniflorus), prhou arnikou (Arnica montana) a řadou vstavačů z čeledi Orchideaceae.
V tomto stupni, na náhorních plošinách a v jejich okolí, se koncentrují nejcennější ekosystémy Krkonoš: klečové porosty, přirozené i druhotné smilkové louky a severská (subarktická) rašeliniště. V keřovém patru dominuje borovice kleč (Pinus mugo), v bylinném patru převládá smilka tuhá (Nardus stricta), třtina chloupkatá (Calamagrostis villosa), ostřice rodu Carex, keříčky brusnicovitých rostlin (borůvka Vaccinium myrtilus, brusinka V. vitis-ideaea, vlochyně V. uliginosum, klikva drobnoplodá Oxycoccus microcarpus, aj.), šicha oboupohlavná (Empetrum hermaphroditum) a další. Bohatý je výskyt endemických a reliktních druhů, především již zmiňovaných jestřábníků (Hieracium spp.), všivce sudetského (Pedicularis sudetica), ostružiníku morušky (Rubus chamaemorus) a dalších.
V souvislosti s vrcholovými rašeliništi je nezbytné se zmínit o výskytu dalšího krkonošského endemického druhu - řase Corcontochrysis noctivaga.
Nejvyšší, vzájemně izolované vrcholky Krkonoš (Sněžka, Studniční a Luční hora, Vysoké Kolo, Kotel) jsou pokryté sporou, ale cennou bylinnou vegetací, mechorosty a lišejníky. Jmenujme alespoň sítinu trojklannou (Juncus trifidus), rozrazil chudobkovitý (Veronica bellidioides), biku klasnatou (Luzula spicata), endemické jestřábníky rodu Hieracium či lišejníky Thamnolia vermicularis a Rhizocarpon geographicum.
Azonální ekosystémy skalnatých jam v závěrech horských údolí oplývají druhově nejpestřejší flórou ze všech vegetačních stupňů. Tady se nacházejí ony známé krkonošské botanické zahrádky. Přírodní vývoj je v nich dlouhodobě ovlivňován činností větrných systémů, ukládáním mohutných vrstev sněhu, opakovanými sesuvy sněhových a zemních lavin, sedimentací půdních částic, semen a drobných živočichů, výchozy minerálně bohatších hornin, příznivým klimatem a řadou dalších faktorů (viz teorie A-O systémů). Ledovcové kary se tak řadí k nejcennějším ekosystémům Krkonoš.
Na svazích karů je pestrá mozaika vysokostébelných a kapradinových niv s omějem ozdobným a štíhlým (Aconitum firmum, A. gracile), havézí česnáčkovou (Adenostyles alliariae), mléčivcem alpským (Cicerbita alpina) a řadou kapraďorostů, dále svahových pramenišť s česnekem sibiřským (Allium sibiricum), kropenáčem vytrvalým (Swertia perennis), lepnicí alpskou (Bartsia alpina), vrbovkami rodu Epilobium či prvosenkou nejmenší (Primula minima), a bizarních "krivolesů", tvořených břízou karpatskou (Betula carpatica), vrbou slezskou (Salix silesiaca), borovicí klečí (Pinus mugo), střemchou skalní (Padus petraea), vzácně i endemickým jeřábem sudetským (Sorbus sudetica).
Druhovou pestrostí dominují mezi krkonošskými kary Sniezne Kotly na polské straně. Nerozsáhlý výchoz výživné čedičové žíly zde podmiňuje výskyt endemického lomikamenu pižmového (Saxifraga moschata basaltica) a bedrníku skalního (Pimpinela saxifraga rupestris), reliktního lomikamenu sněžného (Saxifraga nivalis) a dalších vzácných druhů (kapradinka alpská Woodsia alpina, rozchodnice růžová Rhodiola rosea, vrba bylinná Salix herbacea, aj.).
Na základě nejnovějších poznatků, synteticky hodnotících klimatologické, geologické, geomorfologické, pedomorfologické a ekologické charakteristiky Krkonoš, byla v rámci subalpínského a alpínského stupně a azonálních ledovcových karů vymezena tzv. sudetská arkto-alpínská tundra. Jedná se unikátní oblast nad horní hranicí lesa, formovanou do značné míry mrazovými, sněhovými a větrnými procesy. Její charakteristické rysy vznikaly během chladných období pleistocénu a na začátku holocénu a jsou stále udržovány současným lokálním klimatem, připomínajícím podmínky výše uvedených období, především s průměrnými ročními teplotami kolem 0oC, s přítomností regelačních jevů, s vysokým podílem pevných srážek a intenzívní větrnou činností v hřebenových partiích.
Zřetelné rozdíly v krkonošské tundře umožnily její členění na tři ekologické zóny:
(1) mrazově a větrně exponované oblasti nejvyšších vrcholů Krkonoš s dominantními mrazovými formami, jako jsou kryoplanační terasy a haldy, mrazové sruby, kamenná moře, polygonální půdy či girlandové stupně, a se sporou vegetací, ale vysokým zastoupením rostlinných a živočišných druhů subarktického a vysokohorského původu,
(2) velmi chladné a srážkově bohaté oblasti zarovnaných povrchů na horských hřebenech se zarostlými polygonálními a brázděnými půdami, soliflukčními procesy a se severskými biocenózami na minerálním podloží i na mokřadech subarktického charakteru,
(3) oblasti karů a sněhových depresí na závětrných svazích s významným působením sněhových převějí, sněhovou a lavinovou činností a s druhově vysoce pestrou mechovou, lišejníkovou, travinnou, vysokostébelnou a křovinnou vegetací.
Arkto-alpínská tundra v Krkonoších pokrývá necelá 3% rozlohy biosférické rezervace (zhruba 16 km2), ale tvoří její přírodovědně nejcennější část. Právě zde jsou koncentrovány už jmenované krkonošské endemity a glaciální relikty či druhy s arkto-alpínským a boreo-alpínským typem rozšíření.