La catena del Gran Sasso è formato da rocce di varie età comprese tra il Trias e il Miocene. Le zone più rappresentative sono quelle del vasto altopiano di Campo Imperatore, del ghiacciaio del Calderone, il più meridionale d'Europa e l'unico per l'Appennino.
Nelle alte quote si concentra la maggior parte degli endemismi floristici e faunistici, molte delle quali cosiddetti "relitti glaciali", che annoverano non solo piante e insetti, ma alcuni vertebrati, come nel caso della vipera dell'Orsini, dell'arvicola delle nevi, della rana temporaria e del tritone alpestre. Sulle aree cacuminali si concentra anche un'avifauna ben adattata, tra cui il gracchio alpino e corallino, il sordone, il picchio muraiolo, il fringuello alpino, lo spioncello, la coturnice.
L'elemento faunistico di spicco delle alte quote è costituito dal camoscio d'Abruzzo (Rupicapra pyrenaica ornata) prescelto anche quale simbolo del Parco. Si tratta di un'entità faunistica endemica dell'Appennino Centrale, che, scomparso dalla catena del Gran Sasso nel lontano 1892, è stato reintrodotto partire dal 1992.