La Gomera ist vulkanischen Ursprungs. Die Feuchtigkeit aus dem Hochnebel und den Passatwolken, die im Norden an der bis zu 1.487 Meter hohen Insel hängen bleiben, führte zur Erosion, wodurch eine zerklüftete Landschaft mit tiefen Schluchten (Barrancos) entstand.

Der größte Teil des Nationalparks liegt auf einer hügeligen Hochebene, die fast vollständig von diesen Barrancos umgeben ist. Hier oben speichern Dickblatt- und Wolfsmilchgewächse in ihren dicken Stängeln und Blättern das Wasser aus den die Wälder durchdringenden Passatwolken. Man spricht auch von horizontalem Regen.

Die Pflanzen schützen sich dadurch auch außerhalb der Regenperioden vor dem Austrocknen. Wie ein Schwamm nimmt der Boden das Wasser auf und reguliert so den Wasserzyklus. Das zur Regenzeit schnell versickerte, gespeicherte Wasser tritt aus zahllosen Quellen wieder an die Oberfläche, was auch der Bevölkerung zugutekommt.

Das knapp 1.500 Meter hohe Zentralmassiv fungiert als Wetterscheide. Es trennt die Flora in eine Nord- und eine Südvegetation. Durch das erwähnte Hängenbleiben der Passatwolken auf der Nordseite, wachsen hier noch bis zu 30 Meter hohe Bäume, wie sie vor Millionen von Jahren im Mittelmeerraum zu finden waren, als dort ein feuchtwarmes Klima üppige Urwälder möglich machte. Dazu gehört auch der Laurisilva, der märchenhafte Lorbeerwald El Cedro, von dessen Gesamtbestand mehr als die Hälfte auf La Gomera wächst. Durch Klimawechsel ist diese Vegetationsform im Mittelmeerraum nur noch in Relikten erhalten.

Je höher man im Nationalpark Garajonay die Hänge hinauf kommt, desto niedriger wird der Wald. Hier schließt eine Heidelandschaft an, in der Weiße Heide, Erdbeerbäumchen und das vom Aussterben bedrohte endemische Teebaumgewächs Visnea mocanera gedeihen. Auf der trockeneren Südseite wachsen verschiedene Sukkulenten.

Die einzigen Säugetiere, die ohne Zutun des Menschen auf die Insel kamen, waren Fledermäuse. Unter den Vögeln fallen besonders die Kanarentaube (Columba bollii) und die Lorbeertaube (Columba junoniae) auf. Außerdem kommen im Park Reptilien wie die Kleine Kanareneidechse (Gallotia caesaris), der Kanarenskink (Chalcides viridanus coeruleopunctatus) und Amphibien wie der Mittelmeer-Laubfrosch (Hyla meridionalis) vor. Es gibt nahezu tausend wirbellose Tierarten; 150 davon sind im Nationalpark Endemiten.