Karpatské bukové pralesy, ktoré sú súčasťou Národného parku Poloniny, predstavujú jedinečný a nenarušený prírodný fenomén. V roku 2007 boli spolu s ďalšími lokalitami v Karpatoch a Nemecku zapísané na zoznam svetového dedičstva UNESCO ako "Pralesy Karpát a staré bukové lesy Nemecka". Táto oblasť je výnimočná svojím ekosystémom, ktorý je prakticky nedotknutý ľudskou činnosťou a slúži ako útočisko pre mnohé vzácne druhy rastlín a živočíchov.
Pralesy pokrývajú rozsiahle územia, ktoré siahajú cez Slovensko, Ukrajinu a Rumunsko, pričom Poloniny sú jednou z najvýznamnejších lokalít na Slovensku. Bukové stromy tu dosahujú úctyhodný vek viac ako 200 rokov a vytvárajú zložité ekosystémy, ktoré poskytujú domov pre rôzne druhy hmyzu, vtákov a cicavcov.
Medzi dominantné druhy flóry patria starobylé buky. Tie tvoria základ zložitých lesných ekosystémov. V parku sa nachádzajú aj vzácne druhy bylín a papradí - typické pre Karpatské oblasti.
Poloniny sú jednou z mála lokalít na Slovensku, kde možno nájsť všetky tri druhy veľkých šeliem – vlka dravého, rysa ostrovida a medveďa hnedého. Okrem týchto majestátnych predátorov tu žijú aj ďalšie ohrozené druhy, ako je mačka divá, bocian čierny či orol krikľavý.
Zubor hrivnatý, najväčší európsky cicavec, ktorý kedysi obýval veľké časti Európy, bol do Národného parku Poloniny úspešne reintrodukovaný v roku 2004.
V NP Poloniny sa nachádza množstvo národných prírodných rezervácií. Najznámejšia z nich je Stužica, ktorá je najväčšou rezerváciou na Slovensku a domovom vzácnych pralesov. Havešová a Rožok predstavujú ďalšie významné národné prírodné rezervácie zapísané na zoznam UNESCO.
Národný park Poloniny nie je známy len svojimi lesmi, ale aj jedinečnými možnosťami pozorovania nočnej oblohy.
V roku 2010 tu bol zriadený Park tmavej oblohy Poloniny, ktorý je prvým parkom svojho druhu na Slovensku. Táto oblasť sa vyznačuje mimoriadne nízkym svetelným znečistením, čo vytvára ideálne podmienky na pozorovanie hviezd, planét a iných vesmírnych úkazov.
