Der Frankenwald besteht geologisch aus unterkarbonischen Tonschiefern, Grauwacken und Quarziten. Diabas spielt im Osten des Gebietes eine gewisse Rolle. Die Böden sind meist sehr skelettreiche, tiefgründige Lockerlehme unterschiedlichen Wasserhaushaltes und mäßiger Mineralkraft. Bedingt durch die geologisch alten Gesteine und vor allem durch Solifluktionsvorgänge während der Eiszeiten ist der Frankenwald standörtlich relativ einheitlich.

Die mittlere Höhenlage beträgt 500 – 600 m über NN, die höchsten Erhebungen des Frankenwaldes bilden der Döbraberg mit 795 m und der Wetzstein in Thüringen mit 792 m. Charakteristisch für die Frankenwaldlandschaft sind die Hochebenen, die immer wieder von engen Kerbtälern mit extremen Hangneigungen unterbrochen werden. Als Folge der Besiedlungs- und Nutzungsgeschichte sind diese Hanglagen im Frankenwald fast ausschließlich bewaldet.

Klimatisch ist der Frankenwald durch ein feucht-kühles Mittelgebirgsklima geprägt. Die Niederschläge schwanken je nach Höhenlage und Exposition zwischen 725 und 1100 mm, im Durchschnitt 975 mm. In den Wachstumsmonaten April bis Juni fallen etwa 200 bis 220 mm Niederschläge. Wegender oft ausgeprägten Frühjahrs- und Sommertrockenheit und der durchlässigen Schieferböden kommt es häufig zu periodischem Wassermangel vor allem auf den Hochflächen und an den Oberhängen. Weitere klimatische Gefährdungen für den Wald bilden Sturmereignisse (zuletzt „Kyrill“ 2007) und Schneebrüche infolge von Nassschnee- oder Eisanhang.