Klimat
Bagna Biebrzańskie leżą w północno - wschodniej Polsce, która jest uważana za najzimniejszy (poza górami) region kraju. Klimat Kotliny wynika z nakładania się cech związanych z rozległymi obszarami torfowisk, formą dolinną i ogólnych cech klimatu północno -wschodniej Polski. Klimat jest zbliżony do kontynentalnego z elementami subpolarnego. Cechuje go długa zima, krótkie przedwiośnie i najkrótszy (poza górami) okres wegetacyjny. Średnia roczna temperatura jest jedną z najniższych na niżu.
Najchłodniejszym miesiącem jest luty (-4,50 do -5,50C). Dni mroźnych (z temperaturą maksymalną poniżej 0oC) jest od 57 do 66 w ciągu roku. Zima (okres z temperaturą średnią dobową poniżej 00C) trwa od 107 do 117 dni. Najcieplejszym miesiącem jest lipiec (17,30 do 17,80C). Typowe jest występowanie silnych nocnych spadków temperatury (nad obszarami zabagnionymi), prowadzących do częstszego pojawiania się dni przymrozkowych, np. w maju a nawet w czerwcu (od 2 do 4 dni). Lato (okres z temperaturą średnią dobową powyżej 150C) trwa od 77 do 85 dni.
Dni mgielnych jest od 30 do 70, ale nad torfowiskami jest ich dwukrotnie więcej niż nad wysoczyznami. Bardzo często dochodzi do spływu wychłodzonego powietrza (lokalne przymrozki) i kondensacji pary wodnej (mgły przyziemne) do lokalnych zagłębień terenowych.
Zatorfiona Kotlina Biebrzańska jest obszarem o zmniejszonych ilościach opadu (550 mm), w stosunku do sąsiednich wysoczyzn (600 mm i więcej). Podobnie północna połowa Kotliny otrzymuje mniej opadów (470-550 mm) od części południowej (550 mm).
Długość okresu z pokrywą śnieżną wynosi od > 140 dni w górnym basenie, do 110-120 dni w basenie dolnym. W porze zimowej przeważają wiatry z południowego - zachodu, latem dominują wiatry z zachodu i południowego-zachodu.

Geologia i geomorfologia
Biebrzański Park Narodowy obejmuje znaczną część Kotliny Biebrzańskiej - wielkiego obniżenia terenu o długości ponad 100 km. Dolina Biebrzy jest otoczona ze wschodu, południa i zachodu przez wysoczyzny morenowe - Białostocką, Kolneńska i Wysokomazowiecką - utworzone podczas zlodowacenia środkowopolskiego. Na północy Dolina sąsiaduje z Pojezierzem Ełckim, Sandrem Augustowskim i Grajewskim uformowanymi podczas ostatniego zlodowacenia - Bałtyckiego. W Dolinie Biebrzy wyróżnia się trzy odrębne jednostki geomorfologiczne zwane basenami: Północny obejmujący dolinę na wschód od Sztabina, Środkowy - od Sztabina do Osowca i Południowy - od Osowca do ujścia Biebrzy do Narwi.
Basen Północny zwany też Basenem Górnym Biebrzy obejmuje 40 - kilometrowy odcinek doliny o szerokości 1-3 km. Złoża torfu osiągają tu miąższość 3-6 m i miejscami są podścielone gytią. Cechą charakterystyczną rzeźby terenu Basenu Górnego jest obecność ostańców morenowych. Basen Środkowy ma kształt zbliżony do trapezu o wymiarach 20 x 40 km. Jest to kompleks torfowisk o powierzchni ok. 45000 ha. i miąższości torfu 1-3 m. W północnej jego części pod złożami torfu zalega piasek i żwir, a w południowej osady wodne i glina. Basen Środkowy wyróżniają otoczone torfowiskami rozległe piaszczyste wydmy, ukształtowane w wyniku procesów eolicznych. Kanał Augustowski, Woźnawiejski, Rudzki (wybudowane w pierwszej połowie XIX w.) znacznie zmieniły układ hydrologiczny tej części doliny, powodując trwałe obniżenie poziomu wód gruntowych i przesuszenie torfowisk. Basen Południowy, najbardziej naturalny w dolinie Biebrzy, zwany też Basenem Dolnym, ma kształt rynny o długości 30 km i szerokości 12-15 km. Torfowiska o miąższości torfu 1-2 m zajmują tu powierzchnię ok. 21000 ha. Charakteryzuje się obecnością pasa wydm w części północno-wschodniej oraz niewielkich wyniesień mineralnych (wydm, grądzików). Wzdłuż koryta rzeki rozciąga się strefa mułowa szerokości 1-2 km z licznymi starorzeczami i zakolami.

Wody
Park leży w dorzeczu Biebrzy (Wisły i zlewisku Morza Bałtyckiego), największego po Bugu dopływu Narwi. Swój początek bierze na południe od Nowego Dworu, u podnóża wzgórz morenowych w Mezoregionie Wzgórz Sokólskich. Ujście Biebrzy znajduje się koło wsi Ruś. Długość rzeki wynosi ok. 165 km (w tym 155 km w Parku), a powierzchnia dorzecza 7051,2 km2. Bardziej jest rozwinięte dorzecze prawobrzeżne (75,5% - rz: Lebiedzianka, Netta, Kopytkówka, Jegrznia, Dybła, Ełk, Klimaszewnica, Wissa), niż lewobrzeżne (24,5% - rz: Sidra, Brzozówka, Biebła, Czarna Struga, Kosódka). Przeciętny spadek Biebrzy wynosi 0,36‰, natomiast na obszarze Pradoliny jest o połowę mniejszy i wynosi 0,19‰. Średni przepływ roczny (na wysokości Burzyna) wynosi 27,5 m3/s. Cechuje go duża nierównomierność. Charakterystyczne są wysokie wezbrania wiosenne pochodzenia roztopowego i głębokie niżówki letnio-jesienne. Pradolina Biebrzy cechuje się największą w Polsce pojemnością retencyjną - porównywalną do pojemności największych w kraju zbiorników wodnych.
W XIX w przeprowadzono na obszarze Kotliny Biebrzy wielkie prace hydrotechniczne (zbudowano m. in. Kanał Augustowski łączący dorzecze Biebrzy z Niemnem). Spowodowały one zmiany zarówno w sieci wodnej jak i w układzie poziomu wód gruntowych.
Torfowiska Doliny Biebrzy są zasilane ciekami a także wodami podziemnymi i wysiękowymi. Występują one przede wszystkim wzdłuż krawędzi Doliny, zwłaszcza w basenie północnym i południowym.

Roślinność
Ponad 40% powierzchni Parku zajmują siedliska hydrogeniczne. Na ich obszarze wyróżniono ponad 70 typów zbiorowisk roślinnych naturalnych i zastępczych (w tym półnaturalnych i antropogenicznych). Wśród zbiorowisk naturalnych dominują (bezleśne): turzycowiska, mechowiska i szuwary oraz (leśne): olsy, brzeziny i bory bagienne. Ekosystemy wodne reprezentuje rzeka Biebrza wraz z dopływami oraz liczne starorzecza.
Zmiana warunków siedliskowych wywołana przede wszystkim pracami hydrotechnicznymi w połowie XIX w, oraz melioracjami w latach 60-tych spowodowała trwałe obniżenie poziomu wód gruntowych na obszarach przylegających do kanałów. Na powstałych siedliskach wykształciły się zbiorowiska zastępcze (półnaturalne), wśród nich dominują zb. łąkowe. Ekosystemy o charakterze antropogenicznym reprezentują: pastwiska, uprawy rolne i zb. terenów zurbanizowanych. Wśród nich bardzo cenne zb. o charakterze naskalnym - na zniszczonych w czasie I i II wojny światowej budowlach militarnych Twierdzy Osowiec oraz ginące zb. wydepczysk na terenach kilku osad w obrębie Parku.

Zwierzęta
Rozległość obszaru, jego pierwotność i odmienność sprawiają, że w dolinie Biebrzy zachowała się specyficzna fauna w dużym stopniu związana z naturalnymi ekosystemami bagiennymi i wodnymi. Stwierdzono tu obecność 48 gatunków ssaków. M. in. 10 gatunków nietoperzy - w Twierdzy Osowiec obserwowano największe w Polsce północno-wschodniej skupiska kolonii zimujących nietoperzy.

Ssaki
Wśród drobnych ssaków uwagę zwraca pospolitość i wysokie zagęszczenie nornika północnego Microtus oeconomus, świadcząca o specyfice środowisk bagiennych. Z pozostałych ssaków na uwagę zasługują: wilk, wydra, łoś i bóbr. Znajduje się tu największa w kraju ostoja łosia (ok. 400 sztuk). Reintrodukowany po ostatniej wojnie bóbr jest obecnie zwierzęciem pospolitym.

Ptaki
W dolinie Biebrzy obserwowano 271 gatunków ptaków, w tym ponad 180 lęgowych. Jest najważniejszą ostoją dubelta, kropiatki, orlika grubodziobego, rybitwy białoskrzydłej i derkacza w Europie Środkowej i Zachodniej. Jest też ważnym "przystankiem" dla migrujących siewkowców, kaczek, gęsi i żurawi. Dlatego też dolina Biebrzy została uznana przez BirdLife International za ostoję ptaków o randze światowej. BPN jest też na liście Konwencji Ramsarskiej.

Ryby
Ichtiofauna dorzecza Biebrzy liczy 36 gatunków ryb oraz wielką rzadkość: minoga ukraińskiego - gatunku charakterystycznego dla wschodniej części Morza Czarnego. Liczebność i biomasa ryb jest tu znacznie wyższa niż w innych nizinnych rzekach Polski.