Přírodní park leží v okrese Brno-venkov a byl vyhlášen v roce 1997. Rozkládá se mezi Náměští nad Oslavou na severozápadní straně a Oslavanami na jihovýchodní straně. Území o rozloze téměř 2 200 ha je tvořeno členitou pahorkatinou a náleží k nejzajímavějším územím na okraji Českého masivu po geomorfologické i geologické stránce. Geomorfologicky patří údolí Oslavy do podcelku Znojemská pahorkatina, nachází se však na jeho severovýchodním okraji. Osou celého území jsou hluboké údolí řek Chvojince a Oslava. Nejníže položený bod je 224 m n. m., nejvýše položené vrcholy dosahují výšky kolem 340 m n. m. Údolí je zpočátku velmi hluboce zaříznuté, kaňonovité se skalnatými svahy. Později se otevírá a dno nivy řeky Oslavy se rozšiřuje.

Geologické složení území je relativně pestré. Převážně se zde nachází migmatity a ruly, na které nasedají svorové ruly a dvojslídné svory. Místy na povrch vystupují narůžovělé ortoruly a krystalické vápence (ty najdeme v údolí řeky Chvojince) či dolomity a grafitové horniny. V granulitech, které tvoří skaliska například v okolí Lamberku a Jinošovic, se objevují místy i hadce. Jedná se o tmavou horninu, která má specifické chemické složení. Obsahuje množství kovů (jako jsou nikl, kobalt či chrom), které působí na většinu organizmů toxicky. Při zvětrávání se na hadcích uvolňuje také vysoká koncentrace uhličitanu hořečnatého. To vše zapříčiňuje výskyt rostlin a živočichů, které jsou na tyto těžké životní podmínky přizpůsobeni. V údolí přírodní rezervace, která se nachází v parku, vystupují na povrch amfibolity (U Vlasáka, Velké peřeje, Skřipina, Kozí hřbety).

Na plošinách a mírnějších svazích tvoří půdní pokryv především kambizemě, které najdeme pod lesními porosty. Kolem řek jsou velmi dobře vyvinuty fluvizemě. Na suťových svazích najdeme rankery, půdy tvořené sutí z kyselých hornin, které na skalách přechází až v litozemě (tvrdé skalní podloží).

Obě údolí řek mají velmi přírodě blízký charakter. Dochází zde k jevu, který se nazývá vegetační inverze. Jedná se o výrazný rozdíl klimatu mezi jižními, teplými a suchými svahy a severními, zastíněnými svahy. Výrazný rozdíl je také mezi vrchními partiemi svahů a dnem údolí, kam stéká studený vzduch. Díky těmto mezoklimatickým rozdílům se nachází v horních částech svahů teplomilná vegetace, zatímco na dně hlubokých, úzkých údolí najdeme rostliny a živočichy vyžadující chladnější klimatické podmínky.