Релефът в Национален парк “Централен Балкан” е създаден под действието на мощни геологически процеси и е оформян през хилядолетията от водата и ветровете. Заравнени била и масивни върхове се редуват с дълбоки каньони, скални стени и пещери. Стара планина е централна структурна ивица на Балканите. Изградена е от няколко основни вида скали, сред които южнобългарски гранити, пясъчници, кристалинни шисти и др. Над 1800 м. надморска височина има свидетелства за ледникова дейност в миналото.
Скалите и скалните ландшафти заемат около 2000 хектара (3% от цялата територия на Парка). Сред причудливите формации са Скалният мост, Марковата дупка и скалните игли Калчови камъни. В Парка се намират единственият по рода си в България скален комплекс с вековни гори, стени и пропасти и най-мощният скален пояс – Джендемите. Уникална за страната е и системата от ждрела и каньони – теснината на Стара река, каньонът на река Черни Осъм, Тъжанското ждрело, долината на река Соколна, Бяла река.
СКарстът обхваща малка част от защитената територия, но там са образувани много и дълбоки пещери и пропасти. Забележителен със своите бездни е резерват “Стенето”. Тук се намират и Райчова дупка – най-дълбоката пропастна пещера в България с 377 м. денивелация и обща дължина на галериите 3333 м. и Куманица – най-дългата водна пещера в Централен Балкан с 1656 м. проучена дължина и средногодишен дебит на подземната река 600 литра в секунда.
Пещерите на каньоните и скалните масиви се обитават от шест вида световно застрашени прилепи, множество петрофилни видове птици, редки и красиви растения.
Водни обекти
Главната водоразделна линия на Черноморския и Беломорския водосборен басейн е билото на Стара планина. На север – към река Дунав и Черно море – тръгват реките Вит, Осъм и Росица, а на юг – към Егейско море – се устремяват Тополница, Стряма и Тунджа. Дълбокият карст регулира подземното подхранване на реките, а обширните стари гори допринасят за задържането на водите. Реките са стръмни и с голям воден отток.