Das Gebiet der Rostock-Gelbensander Heide ist mit einem großen geschlossenen Waldgebiet bestanden, das etwa zu gleichen Teilen Kiefernforste, Misch- und Laubwälder aufweist. Dazwischen befinden sich Offenflächen mit Grünländern und Trockenrasengesellschaften. Naturnahe Bäche und ausgebaute Gräben durchziehen das Gebiet. An der Küste liegen Strandseen mit vermoorten Uferbereichen. Geomorphologisch ist die Rostock-Gelbensander Heide eine Beckensandebene, aufgebaut aus fluviatilen feinkörnigen Sanden. Flugsande und Dünen sind weit verbreitet. Landeinwärts gehen die Sande in den Geschiebelehm der Grundmoränen über.
Das Gebiet wird überwiegend forstwirtschaftlich genutzt, kleinflächig findet Acker- und Grünlandnutzung statt. Als Naherholungsgebiet für Rostock haben der abwechslungsreiche Wald und die Ostseeküste eine große Bedeutung.
Die Strandseen mit ihren charakteristischen Salzökosystemen und Moorbereichen des Heiligensees und dem noch intakten Küstenüberflutungsmoor am Radelsee sind als Naturschutzgebiete ausgewiesen und großflächig als FFH-Lebensraum gemeldet.