มีพื้นที่ทั้งหมด ๑,๐๖๕,๐๐๐ ไร่ หรือ ประมาณ ๑,๖๘๐ ตารางกิโลเมตร ครอบคลุมพื้นที่อำเภอท่าวังผา อำเภอปัว อำเภอเชียงกลาง อำเภอทุ่งช้าง อำเภอบ่อเกลือ อำเภอสันติสุข และอำเภอแม่จริม เทือกเขาดอยภูคาประกอบด้วยแนวภูเขาสูงสลับซับซ้อน ซึ่งถือเป็นส่วนหนึ่งของปลายเทือกเขาหิมาลัย โดยมียอดภูคาเป็นยอดเขาที่สูงที่สุดของจังหวัดน่าน สูงถึง ๑,๙๘๐ เมตร ดอยภูคาเป็นต้นแม่น้ำสำคัญหลายสาย เช่น แม่น้ำน่าน ลำน้ำปัว บริเวณนี้เดิมเคยเป็นทะเลมาก่อน ก่อนจะเกิดการเคลื่อนตัวของแผ่นดินสองผืนใต้ทะเลเข้าหากัน ทำให้แผ่นดินโก่งตัวขึ้น น้ำทะเลใต้ดินระเหยไปเหลือเพียงสินแร่เกลือ ดังที่พบในอำเภอบ่อเกลือ และการค้นพบสุสานหอยทะเลอายุประมาณ ๒๐๐ ล้านปี บนดอยภูแวที่บ้านค้างฮ่อ ตำบลสะกาด อำเภอปัว มีลักษณะเป็นหอยแครงสองฝา ดร.จงพันธ์ จงลักษณ์มณี นักธรณีวิทยา กรมทรัพยากรธรณี สรุปว่า เป็นซากหอยที่มี ชื่อทางวิทยาศาสตร์ว่า พาลีโอคาร์ดิต้า สปีชี่ (Paleocardita Species) อายุ ๑๙๕ ๒๐๕ ล้านปี จัดอยู่ในยุคไทรแอสซิก (Triassic) ตอนปลาย ป่าไม้ในเขตอุทยานแห่งชาติดอยภูคา ประกอบด้วยป่าดิบเขา ป่าดิบแล้ง ป่าเบญจพรรณ ป่าเต็งรัง ทุ่งหญ้า และ ป่าสนธรรมชาติ เป็นแหล่งของพันธุ์ไม้หายากใกล้สูญพันธุ์ ได้แก่ ชมพูภูคา (Bretschneidera sinesis Hemsl.) ในเขตป่าดิบเป็นแหล่งต้นเต่าร้างยักษ์ ปาล์มดึกดำบรรพ์ เมเปิ้ลใบห้าแฉก ต่างจากเมเปิ้ลที่อื่นซึ่งมีสามแฉก และยังเป็นแหล่งนกเฉพาะถิ่นที่หายากสองชนิด คือ นกมุ่นรกคอแดง และนกพงใหญ่พันธุ์อินเดีย ช่วงเวลาที่เหมาะสมในการท่องเที่ยว คือ ฤดูหนาว ตั้งแต่เดือนพฤศจิกายนถึงกุมภาพันธ์ อุณหภูมิเฉลี่ย ๑๕ ๒๗ องศาเซลเซียส