Das etwa von Südwesten nach Nordosten verlaufende Ahrtal hat eine Sohlenhöhe, die von ungefähr 300 m ü. NN auf unter 180 m ü. NN fällt, und ist als Kerbtal tief in die umgebende Berg- und Hochflächenlandschaft eingeschnitten. Die Sohlenbreite des Tals variiert im Verlauf, ebenso wie Steilheit und Kantenschärfe der hohen, vielfach bewaldeten Talhänge. Dies hängt von der jeweiligen Beschaffenheit, Schichtung und Lagerung der unterdevonischen Grauwacken-Schiefergesteine ab. Im weiteren Verlauf wird das Tal enger und es treten häufig schroffe, unbebaubare Felswände bzw. -nadeln hervor. Hier befinden sich noch Terrassenreste. Im weiteren Verlauf verliert sich der Engtalcharakter und die Ahr fließt in einem breiten, sanfter geböschten Sohlental dem Rhein entgegen.
Die Talhänge sind überwiegend bewaldet. Der Talboden wird meist als Grünland genutzt, nach dem Eintritt ins Rheintal eher als Ackerland. Im unteren Teil des Tals, dem Recher Ahrengtal und dem Ahrmündungstal wird an den Hängen Weinbau betrieben.
Größere Schutzgebiete sind das EU-Vogelschutzgebiet "Ahrgebirge" und das FFH-Gebiet "Ahrtal" mit dem NSG "Ahrschleife bei Altenahr". Relief und Bodenentwicklungsprozesse bedingen wie auch das warme und trockene Klima eine hohe Standortvielfalt. Die extremen Standortbedingungen der Talhänge sind Grund für die Entwicklung einer außergewöhnlichen und vielfältigen Flora, an der sowohl submediterrane als auch atlantische Arten einen hohen Anteil haben. Charakteristisch für die steilen Felswände und schroffen Felssporne des mittleren Ahrtals sind Komplexe aus xerothermen Felsflur- und Felsspaltengesellschaften mit Arten wie Brillenschötchen (Biscutella laevigata), Nordischer Streifenfarn (Asplenium septentrionalis) und Blaugras (Sesleria varia), Trockengebüschen wie Felsenbirnen-Steinmispelgebüsch und Ginsterheiden, Trockenrasen, Zwergstrauchheiden und Trocken- und Gesteinshaldenwäldern. Im Gebiet wachsen mehrere seltene Farn-, Fetthennen- (Sedum sp.) oder Dachwurzarten (Sempervivum tectorum.). Die felsigen Standorte im Bereich der Ahrschleife bei Altenahr sind aufgrund des Reliefs an manchen Stellen nie unmittelbar von Menschen beeinflusst worden. Hier ist die Vegetation noch ursprünglich. Zwischen Kreuzberg und Walporzheim erreichen die Trockenbiotope ihre größte Vielfalt und Ausdehnung. Hier kommen natürliche Trockenbiotope zusammen mit Halbtrockenrasen, Weinbergsbrachen und Trockenmauern vor. Dieses kleinteilige, traditionelle Nutzungsmosaik einer alten Weinbaulandschaft ist zugleich von außerordentlichem kulturhistorischen Wert. Faunistisch ist das Ahrtal aufgrund der hohen Zahl spezialisierter Insekten bemerkenswert. Dies gilt nicht nur für die Heuschrecken- und Schmetterlingsfauna. Allein bei den Käfern wurden bisher etwa 1350 verschiedene Arten nachgewiesen, darunter einige, die im gesamten Rheinland bisher nur im Bereich der Ahrschleife gefunden wurden.