Die Leine-Ilme-Senke setzt sich geologisch aus dem Leinegraben und dem Ilmebecken zusammen, die durch deutliche Stufen von den umgebenen Höhen abgegrenzt sind. Hauptbestandteil sind die Lößflächen mit Höhenlagen um 120 bis 200 m, die durch Fließgewässer parzelliert sind. Die Leine-Ilme-Senke ist eine vorwiegend weiträumige, wenig strukturierte Flur mit größeren und kleineren Fließgewässern. Nördlich von Göttingen ist die Leine stark ausgebaut mit fehlenden Gehölzsäumen und Kleinstrukturen, was den Landschaftscharakter weiter negativ beeinflusst. Von naturschutzfachlicher Bedeutung ist der südlich Göttingen gelegene Teilabschnitt zwischen Stockhausen und Friedland, wo die Leine einen naturnahen, mäandrierenden Lauf mit Uferabbrüchen, Hochstaudenfluren, Röhrichten und Ufergehölzen aufweist.
In der Leine-Ilme-Senke ist eine intensiv betriebene Landwirtschaft die domierende Nutzungsform.
Der Teilabschnitt der Leine zwischen Stockhausen und Friedland, wo die Leine einen naturnahen, mäandrierenden Lauf aufweist, ist von größerer naturschutzfachlicher Bedeutung. Die "Northeimer Seenplatte", ein durch umfangreichen Kiesabbau entstandenes Teichgebiet bei Northeim, ist als Wasservogelreservat geschüzt und als Rastgebiet von nationaler Bedeutung. Der gesamte Lauf der Ilme ist als FFH-Gebiet besonders wertvoll. Dennoch ist der gesamte Anteil an Schutzgebieten unterdurchschnittlich.