Vihorlat je napriek neveľkej rozlohe a nadmorskej výške impozantné sopečné pohorie. Vypína sa nad rozsiahlou Východoslovenskou nížinou a jeho najvyššie vrcholy presahujú výšku 1000 metrov. Najvyššie položené miesto CHKO je vrch Vihorlat (1 076 m n. m.), najnižšie okraj lesa pri obci Jovsa (162 m n.m.).

Zemepisná poloha Vihorlatu je v rámci Slovenska ojedinelá a zaujímavá, leží na rozhraní panónskej a karpatskej flóry. Patrí medzi najlesnatejšie pohoria Slovenska s prevahou listnatých, najmä bukových lesov. Z drevín má najväčšie zastúpenie buk, ktorý vytvára spolu s dubom, jaseňom, javorom a jedľou v rámci vegetačnej stupňovitosti lesné spoločenstvá.

Jeho geografická poloha a osobitný geologický vývoj podmienili vznik takých prírodných zvláštností ako sú napríklad jazero Morské oko, Sninský kameň, vrchoviskové rašeliniská i spoločný výskyt rastlinných druhov karpatskej a panónskej flóry. Z chránených druhov sa tu vyskytuje bleduľa jarná karpatská, telekia ozdobná, prilbica chlpatoplodá a iné. Na severnej strane Vihorlatu rastú horské druhy ako napr. soldanelka karpatská, kým na južných svahoch sa vyskytujú lesostepné spoločenstvá s teplomilnými druhmi.

Podľa doterajších poznatkov sa v území vyskytuje vyše 2000 druhov bezstavovcov. Zo stavovcov sú to napríklad mlok karpatský, mlok vrchovský, užovka stromová, ako aj takmer viac ako 100 druhov hniezdiacich vtákov, napríklad bocian čierny, orol krikľavý, hadiar krátkoprstý, sova dlhochvostá. Veľkým bohatstvom vihorlatských lesov je prítomnosť šeliem - vlka, rysa, mačky divej a vydry.

Cez územie CHKO vedú dva náučné chodníky. Prvý náučný chodník Morské oko-Sninský kameň-Sninské rybníky prechádza okolo jazera Morské oko cez Sninský kameň a končí na Sninských rybníkoch. Druhý náučný chodník Vihorlatským bučinami prechádza rozsiahlym komplexom prírodných bukových lesov, ktoré sú zapísané do Zoznamu svetového dedičstva UNESCO ako "Staré bukové lesy a bukové pralesy Karpát a iných regiónov Európy".