Das Obere Donautal erstreckt sich von den Niedermoorbereichen östlich von Donaueschingen über Tuttlingen bis zur glazial überformten Sigmaringer Talweitung im Osten. Zwischen Geisingen und der Sigmaringer Talweitung ist das Donautal als eine überwiegend schmale und canyonartige Erosionsrinne zwischen Hoher Schwabenalb im Norden und Hegaualb im Süden ausgebildet. Die Talrandhöhen sind mit pliozänen Donauschottern reich bedeckt und liegen auf 800 m ü. NN. Die wiesengrüne Talsohle hingegen liegt auf durchschnittlich 600 m ü. NN. Den geologischen Untergrund bilden die durch Tonmergel unterbrochenen Schichten des Weißen Juras und massige Felsenkalke. Neben der eigentlichen Talsohle, der Donau und ihren Altarmen, sind insbesondere die Steilhänge mit ihren Felsbändern, Terrassen, Höhlennischen und herauspräparierten Felstürmen landschaftsprägend. Die Täler sind wiesenbestanden und die Hänge vorwiegend laubwaldbestanden.
Die Talhänge sind zum gößten Teil mit naturnahen Laubwäldern bedeckt und dienen einer extensiv geführten Forstwirtschaft. An ungünstigen Bodenstandorten sind aber auch fichtendominierte Nutzwälder vorzufinden. Die vorherrschende Landnutzung der Talauen ist die Grünlandwirtschaft. Ackerbau wird nur vereinzelt betrieben. Kulturhistorisch bedeutsam ist die hohe Dichte an Schlössern und Burgruinen. Dementsprechend herrscht eine sehr starke touristische Nachfrage. Auch sportliche Aktivitäten wie Klettern und Wassersport sind weit verbreitet.
Kennzeichnend für die Flora der Landschaft ist vor allem im Bereich der Felsstandorte die Mischung von mitteleuropäischen Arten mit dealpinen, submediterranen und gemäßigt kontinentalen Pflanzen. Zudem ist der Anteil von Reliktarten der Zwischen- und Nacheiszeiten relativ hoch. Die südexponierten Hänge sind zumeist mit wärmeliebenden und artenreichen Eichenwäldern bestanden, aber auch die naturnahen Buchenhang- und Schluchtwälder bieten wertvolle artspezifische Lebensräume (z.B. für Rosalia alpina (Alpenbock). Größere Teilbereiche der Landschaft liegen in FFH- oder EU-Vogelschutzgebieten, von denen "Südwestalb und Oberes Donautal", "Baar" und "Oberes Donautal zwischen Beuron und Sigmaringen" die Größten sind. Zudem erfolgte eine Einbindung in die PLENUM-Konzeption.