Lohjalla useat luonnon monimuotoisuutta lisäävät tekijät sattuvat osumaan yhteen, minkä seurauksena Lohjan luonto on erityisen monimuotoista ja rikasta.
Lohjan poikkeuksellisen rikkaan luonnon perustana ovat kallio- ja maaperän kalkkipitoisuus, rehevä maaperä, leuto ja kostea ilmasto, pitkä kasvukausi, geologinen historia, ainutlaatuinen reunamoreenimuodostuma, kallioperän ja pinnanmuotojen vaihtelevuus, järvisyys, lähteisyys sekä pitkä asutushistoria kartanokulttuureineen.
Lohjan seudun ilmasto on luonnon kannalta varsin edullinen. Talvi on leuto ja kasvukausi on pitkä, keskimäärin 177 vuorokautta. Vuoden keskilämpötila on + 4,5–5,0 °C. Seudun lämpimin kuukausi on heinäkuu ja kylmin helmikuu.
Läntinen Uusimaa on Suomen runsassateisinta seutua. Lohjan seudulla sataakin paljon, vuodessa keskimäärin 700–750 mm. Runsassateisin kuukausi on elokuu ja vähäsateisin maaliskuu.
Lohjan kaupungin alue kuuluu kallioperältään Etelä-Suomen liuskevyöhykkeeseen. Lohjanjärveä ympäröivät vyömäisesti kvartsi- ja maasälpäliuskeet. Kaupungin eteläosissa enemmistönä ovat amfiboliitit, itäosissa kiilleliuskeet ja näiden välissä on pienillä alueilla graniittia ja gradodioriittiä. Erilaisten gneissien ja liuskeiden joukossa on runsaasti kalkkikiviesiintymiä.
Alueen merkittävimmät kalkkikivikalliot sijaitsevat Lohjansaaressa sekä Torholan ja Skraatilan alueilla. Poimuttuneet kalkkikivipatjat ovat monin paikoin paljaina uurteisina viiruina Lohjansaaressa ja varsin näyttävästi Selkäsaarilla. Seudun kallioperän gneissi on osoittautunut hyvin malmirikkaaksi. Lisäksi alueella on melko runsaasti myös siirtolohkareita, luolamuodostumia sekä muutama hiidenkirnu.
Lohjan luonnonympäristöä luonnehtii kaksi tavallaan vastakkaista tekijää. Toisaalta aluetta rikkovat laajat vesialueet. Toisaalta alueen eri osia yhdistää niin sanottu Lohjanharjun reunamuodostuma, jonka hallitsevuutta maisemassa lisää sen selännemuoto. Pinnanmuotojensa suhteen seudun maasto on varsin vaihtelevaa, vaikka kohoumien huippukorkeudet ovat seudulla tavallisimmillaan vain 70–80 metriä merenpinnasta.
Lohjalla on erityisen paljon lehtoja koko Suomeen ja Uudenmaan lääniin verrattuna. Lohjan seudulle ovat tyypillisiä myös kalkkikalliot, lettosuot ja lähteiköt sekä toisaalta harjumaisten alueiden karut kangasmetsät.
Seudun monien uhanalaisten ja harvinaisten kalkkikalliolajien (esimerkiksi kalliorikko, seinäraunioinen ja jäykkäpitkäpalko) kasvustot ovat säilyneet melko hyvin elinvoimaisina, osin jopa runsaina. Kalkkikallioiden lisäksi Lohjalla on myös muita kasvilajien kannalta parempia kivilajeja sisältäviä kallioita, joiden kasvillisuus on varsin merkittävää. Harjukasvillisuus on myös melko monipuolista ja sen erikoisuutena on rauhoitettu pohjanmasmalo, jolla on Lohjalla kenties maamme runsaimmat esiintymät.
Lohjalla kasvaa monia uhanalaisia kasvi- ja sieniharvinaisuuksia, joita ei ole tavattu muualla Suomessa, kuten vuorikuisma, kalvomaljakas ja kuoppajänönkorva. Lisäksi useiden harvinaisten kasvilajien, kuten punavalkun, lehtoneidonvaipan, lehtosinijuuren, sikojuuren ja vuorimunkin Uudenmaan runsaimmat esiintymät ovat Lohjan seudulla.