התנאים המיוחדים שבהם נמצא הר הכרמל, כגון אזור גיאוגרפי, גובה מעל פני הים, רוחות, משקעים, לחות יחסית, קרבה לים, וכן סוגי סלעים וקרקעות וערוצי נחלים לחים, גרמו להתפתחות צמחייה ים תיכונית עשירה ומגוונת של יערות, חורשים, גריגות ובתות.

"והכרמל ליער יחשב" (ישעיהו כט, 17). רוב העצים והשיחים בכרמל הם ירוקי – עד, לכן ההר נראה ירוק בכל ימות השנה ( כמו בשיר של יורם טהרלב).

יערות האורנים, נמצאים על הפסגות הקרטוניות ויערות אלון מצוי ואלה ארץ ישראלית נמצאים על סלעי גיר ודולומיט קשים בערוצי הנחלים. חרוב מצוי ואלת המסטיק, גדלים במורדות הנמוכים והחמימים, אלון תבור ולבנה רפואי גדלים על אדמת רנדזינה הנוצרת מסלעי קרטון ( בסביבת המוחרקה ומורדות נשר).

שרידים של עצי אלון מצוי עתיקים, אפשר לראות בחורשת הארבעים, שם השתמרו בגלל קדושת המקום. בקרקע רנדזינה בסביבה זו, גדלה רתמה קוצנית שהיא אנדמית לכרמל.

במדרונות הקרירים והלחים (במדרון צפון מזרחי), אפשר למצוא קטלבים, הבולטים בגזעיהם האדומים (בריכוז גבוה), בקרבת עוספיה. לוטם מרווני (שפרחו לבן), גדל בתנאים קשים יותר מאלו של אחיו הלוטם השעיר (שפרחו ורוד). הלוטם המרווני נמצא במדרונות המערביים הנמוכים והחשופים לקרינת השמש ואילו הלוטם השעיר נמצא  בעיקר במקומות הסבוכים והלחים.

רכס הכרמל הגבוה מגיע לגובה 546 מטרים מעל פני הים (בפסגת רום כרמל), ונחל יוקנעם מפריד אותו מרמת מנשה המגיעה לגובה  200 מטרים מעל פני הים. מבחינה גיאולוגית, הכרמל הוא הר צעיר יחסית שנוצר בהרבדה של גיר בים תטיס והוא בנוי מערוצים עמוקים ומורדות תלולים. נשארו סלעי בזלת וטוף, שהם תוצאה מפעילות געשית שהייתה בכרמל בעבר הגיאולוגי וסלעים שנוצרו בים רדוד ובים עמוק.

כאשר הים נסוג וההר התרומם, נחשפו בו סלעים שנוצרו בעיקר בתקופת הקנומן. בשכבות התחתונות, מוצאים סלעי דולומיט מהקנומן התחתון. בשכבות שמעליהן, מוצאים סלעי קרטון וצור מהקנומן התיכון, ובשכבות העליונות של ההר, מוצאים סלעים מגיר קשה מהקנומן העליון. 

עובי שכבת סלעי הדולומיט כ 350 מטרים ואפשר לראות את חלקה במצוקים של נחל יגור ולאורך מדרון הכרמל הפונה לצפון מזרח. סלעי הדולומיט נוצרו בים רדוד וחמים, בהם יש תרכובות מגנזיום והם הסלעים הקשים ביותר בכרמל. בקנומן התיכון, נוצרה שכבה בעובי 300 מטרים של קרטון וחוואר, שהם סלעים רכים, עם מרבצים ותלכידים של צור שהוא סלע קשה. בשכבה העליונה, שעובייה שונה ממקום למקום, רואים גיר קשה מהקנומן העליון. במדרונות מסוימים רואים מערות קטנות שהקרטון בהן נסחף ונשארה תקרה של גיר קשה החופה על המערה. 

הקרקעות הנוצרות מהתרוחחות הסלעים, הן: אדמת טרה רוסה שהיא אדמת הרים אדומה, צבעה אדום בגלל תחמוצות ברזל המרכיבות אותה. היא נוצרת כתוצאה מהתפרקות סלעי דולומיט וסלעי גיר קשים ועובייה מועט. אדמת רנדזינה, צבעה אפור ונוצרת מהתפרקות סלעי הקרטון הרכים.

הפסגה הגבוהה ביותר היא רום כרמל (546 מטרים מעל פני הים), הר אלון (515 מטרים) והמוחרקה (482 מטרים). ממוצע הגשמים נע בסביבות 650 מ"מ, הלחות היחסית 70% והטמפרטורה הממוצעת נעה מסביב ל 20 מעלות צלזיוס.                          

הנחלים בכרמל, יורדים בחלקם מערבה ובחלקם מזרחה ורק נחל גיבורים יורד צפונה ונשפך אל נחל הקישון. שמות הנחלים מדרום לצפון: הנחלים המערביים:  נחל גלים, נחל אורן, נחל המערות, נחל דליה, נחל התנינים, כולם נשפכים לים. הנחלים המזרחיים:  נחל יגור, נחל יוקנעם, נחל השופט,  כולם נשפכים אל נחל הקישון.

בתקופת השופטים בתנ"ך, היה הכרמל בחלקו בנחלת שבט אשר ובחלקו בשבט מנשה.  בספר מלכים א' פרק י"ח, מסופר על העימות שהיה בין אליהו הנביא לבין המלך אחאב ב"קרן קרמל" ובקישון. בירמיהו פרק ב' פסוק ז' כתוב: "ואביא אתכם אל ארץ הכרמל לאכול פריה וטובה" . "הדר הכרמל והשרון" אומר ישעיהו בפרק ל"ה פסוק ב'. בשיר השירים פרק ז' פסוק ו', כתוב "ראשך עלייך ככרמל".

בהר נמצאו שרידים פרה – היסטוריים מלפני 120 אלף שנה  במערות האדם הקדמון בנחל המערות ובאתרים נוספים. יש בכרמל אתרים וכפרים של דתות שונות, כגון דלית אל כרמל ועוספיה (דרוזים), המנזרים בבמוחרקה ובסטלה מאריס (כרמליטים), בחיפה גרים יהודים מוסלמים ונוצרים, בכבביר אחמדיה, הגנים הבוטניים היפים בחיפה, שייכים לבהאים ועוד. 

יער אורן ירושלים נמצא על הפסגות הקרטוניות של ההר על אדמות רנדזינה. הסלע הקרטוני בעל כושר ספיגה ואחזקה של מי הגשמים אל תוך הקיץ. תכולת המים בו מגיעה עד 25% מנפחו ועולים כלפי מעלה בצורה נימית. האורן שולח מערכת שורשים עבה ומקבילה לפני השטח בצורה רדודה, וכן שורשים דקים לספיגת מים.

השורשים מפרישים חומצות המסייעות להם בחדירה לתוך הסלעים הקרטוניים. בחברת האורן מוצאים את הפרע קטן העלים ולעתים חלק מהצמחים הבאים: רתמה קוצנית, קטלב מצוי, לוטם מרווני ולוטם שעיר, קידה שעירה ומרווה משולשת. האורן תופס את הפסגות והקומה העליונה של היער כי הוא דורש אור רב (מכאן שמו). הקטלבים מופיעים עם אורנים בעיקר במדרונות הצפוניים הלחים. הקטלב הוא עץ ירוק עד ממשפחת האברשיים בעל גזע אדום הבולט מרחוק. פריחתו בסוף חודש שבט ותחילת אדר ופרותיו המתוקים מבשילים בקיץ. 

אפשר לראות עצי קטלב גדלים בחברת אלון מצוי ואלה ארץ ישראלית, נוסף על גדילתם בקרבת יערות אורנים. החרוב המצוי, הוא עץ דו ביתי ממשפחת הקסלפיניים, הפורח בסוף הקיץ ופרותיו בשלים שנה לאחר מכן. השורשים עמוקים ברובם, אולם יש לו גם שורשים המשתרעים על פני הקרקע. החרוב ואלת המסטיק מהווים חברת צמחים המעדיפים את המדרונות המערביים הנמוכים של הכרמל. החרוב לא גדל בהרים גבוהים בגלל הטמפרטורות הנמוכות של החורף. מוצאו מחצי האי ערב ולכן הוא תרמופילי - אוהב חום. אלת המסטיק הוא שיח דו ביתי ירוק- עד השייך, למשפחת האלתיים וגדל במקומות רבים בחברת החרוב המצוי. 

אלון מצוי, גדל על סלעי גיר קשים.  השורשים חודרים לעומק בין סלעים סדוקים.  הוא מאריך ימים ומוכרים עצים אחדים שגילם מאות שנים (חורשת הארבעים).  יש בו פרחים זכריים ונקביים הפורחים בחודשי אדר - ניסן. אלון מצוי ירוק עד, בניגוד לאלון התבור העומד בשלכת בחורף. כליל החורש,  שייך למשפחת הקסלפיניים, עץ נשיר ים תיכוני, הגדל בחברת אלון התבור במורדות  המוחרקה, וגדל בגאיות הנחלים הלחים בחברת אלון מצוי. פריחתו האדומה מתחילה בחודש שבט ומאוחר יותר מגיע הלבלוב.