Budowa geologiczna Nadleśnictwa bierze początek w okresie kredy, trzeciorzędu i czwartorzędu. Wtedy to powstały główne materiały budulcowe dzisiejszych gleb.
Do utworów czwartorzędowych należą: utwory lessopodobne i lessy (pas wzgórza), piaski i gliny lodowcowe – zwałowe, piaski wodnolodowcowe i gliny deluwialne, piaski i pyły aluwialne młodszych tarasów rzecznych, mady rzeczne oraz mursze i cienkie warstwy torfów (leśnictwo Jodłówka - uroczyska „Jodłówka" i „Grądy").
Do utworów trzeciorzędnych należą: warstwy krośnieńskie – piaskowce i łupki, warstwy magurskie – piaskowce gruboławicowe i łupki (leśnictwo Kamionna), warstwy gliniaste lub iły zawierające rumosz skalny w dolnych częściach stoków (Leśnictwo  Żegocina - uroczysko „Górczyna", Leśnictwo Kamionna).
Do utworów kredowych należą: piaskowce i łupki – warstwy istebniańskie (Leśnictwo Żegocina - uroczyska „Chronów", „Lipnica Murowana", „Bukowiec", część leśnictw: Kopaliny,  Chrostowa, Okocim), piaskowce i łupki – warstwy grodzkie (Leśnictwo Kopaliny - uroczysko „Podjasień"), piaskowce i łupki – warstwy inoceramowi (Leśnictwo Melsztyn - uroczyska "Grabno", „Wielka Wieś", „Rudka"), piaskowce i łupki – warstwy Wierzchowskie (Leśnictwo Melsztyn - uroczyska „Roztoka", „Charzewice", „Duża Buczyna"), gliny i iły z rumoszem skalnym deluwialne i kongeliflukcyjne (uroczysko "Księży Las").
W Nadleśnictwie dominują utwory czwartorzędowe zajmując 65,5% powierzchni. Utwory trzeciorzędowe zajmują 14,1%, a utwory kredowe 20,4% powierzchni leśnej Nadleśnictwa.

Występują tutaj biocenozy na suchych nasłonecznionych zboczach z dominacją roślin ciepłolubnych oraz biocenozy podmokłych łęgów obejmujących dna dolin rzecznych i potoków, charakteryzujące się dużym bogactwem gatunków. Występują siedliska od ubogich (Bśw) do bardzo żyznych (Lwyż, LG).

Teren Nadleśnictwa wyróżnia bogata i różnorodna ekologicznie florą i fauną, charakteryzującą się występowaniem gatunków chronionych i rzadkich w skali kraju.

Na terenie Nadleśnictwa Brzesko stwierdzono występowanie 168 gatunków zwierząt kręgowych (12 płazów, 5 gadów, 112 ptaków i 39 ssaków), z czego 151 to gatunki chronione. Specyfiką Nadleśnictwa jest występowanie ciekawej fauny związanej zarówno z obszarami nizinnymi, wyżynnymi i górskimi.

Spośród roślin chronionych 45 podlega ochronie ścisłej, a 11 ochronie częściowej. Do gatunków specjalnej troski należy zaliczyć storczyka białego, storczyka purpurowego, buławnika mieczolistnego, lilię złotogłów, pióropusznika strusiego oraz inne rzadkie gatunki storczyków.

Nadleśnictwo w zasięgu terytorialnym odznacza się różnorodnym krajobrazem i urozmaiconą rzeźbą. W zdecydowanej większości teren ma charakter wyżynny, na południu posiada cechy krajobrazu górskiego, a na północy nizinnego. Położone jest w regionie rolniczo - przemysłowym. Większą część obszaru działania Nadleśnictwa zajmują pola uprawne, łąki i pastwiska, natomiast lasy pokrywają  21% powierzchni terenu. Ich występowanie jest w znacznej mierze ograniczone do obszaru o bardzo zróżnicowanej rzeźbie, pociętego wąwozami i dolinami, gdzie stoki osiągają największe stopnie nachylenia. Najczęściej są to miejsca trudne do uprawy lub wręcz nieprzydatne rolniczo. Lasy najczęściej mają często charakter śródpolnych wysp i spełniają niezmiernie ważną funkcję biologiczną dla roślin i zwierząt. W części południowej obszaru działania Nadleśnictwa wraz z lasami prywatnymi tworzą zwarte duże kompleksy.

Obszar Nadleśnictwa Brzesko posiada również duże walory kulturowe; znajdują się tu grodziska obronne, zamki, pałace, dwory i zabytki sztuki sakralnej, będące cennymi pomnikami naszej kultury. Do niezaprzeczalnych wartości tych terenów należą  walory dydaktyczne i turystyczne. Można tu obserwować wiele skomplikowanych procesów  ekologicznych zachodzących w przyrodzie. Zachowanie w znacznym stopniu naturalności krajobrazu, zbiorowisk roślinnych i świata zwierzęcego w połączeniu z zachowanymi zabytkami kultury materialnej  znacznie podnosi walory przyrodnicze i turystyczne obszaru.

Nadleśnictwo Brzesko prowadząc w minionych dziesięcioleciach wielofunkcyjną, trwale zrównoważoną gospodarkę leśną opartą na podstawach ekologicznych przyczyniło się do zachowania wielu cennych ekosystemów leśnych, z których część została objęta ochroną w formie rezerwatów  przyrody, na niewielkiej powierzchni obszarów Natura 2000 i innych.

Walory przyrodnicze na terenie Nadleśnictwa Brzesko są chronione przez: 2 parki krajobrazowe (w tym jeden na gruntach Nadleśnictwa), 1 projektowany park krajobrazowy, 4 obszary chronionego krajobrazu, 4  rezerwaty przyrody (wszystkie na gruntach Nadleśnictwa), 8 pomników przyrody (na gruntach Nadleśnictwa), 2 użytki ekologiczne, 3 obszary „Natura 2000" (w tym 2 obejmujące swym zasięgiem grunty Nadleśnictwa).