Территория района в целом расположена в зоне хвойно-широколиственных лесов. На территории Сергиево-Посадского района расположено 12 особо-охраняемых природных территорий (ООПТ) - государственные природные заказники областного значения, где обитают редкие виды растений и животных, подлежащие охране: «Болото и озеро Озерецкое»; «Большое и Малое Туголянские озера»; «Варавинский овраг»; «Гремячий водопад на р. Вендиге»; «Дубненский левобережный заказник»; «Озеро Заболотское и его окрестности»; «Кварталы Алексеевского лесничества в районе деревень Алексеево и Бревново»; «Комплекс сырых лесов и лесных болот»; «Леса и болота в кв.108, 109 Веригинского лесничества»; «Константиновские черноольшаники»; «Молокчинский ботанико-энтомологический заказник»; «Переходное болото в Торгашинском лесничестве и прилегающие леса».
На территории района имеются месторождения общераспространенных полезных ископаемых: строительных песков, гравийно-песчаных материалов, термолитового сырья. В основном на территории района ведется добыча песчано-гравийных смесей.
Всего на территории района 24 реки (самые большие по протяженности – Дубна, Кунья, Воря, Веля, Пажа), более 40 родников, 258 искусственных водоемов (прудов, обводненных карьеров, плотин).
Район обладает значительными запасами пресной воды питьевого качества, сосредоточенной в основном в подземных источниках.
Общая площадь земель лесного фонда, входящих в Сергиево-Посадское лесничество, по состоянию на 1 января 2019 года составляет 103 629 гектара (практически половина территории муниципального района). В состав лесничества входят 9 участковых лесничеств. Контроль и надзор на территории земель лесного фонда, расположенных на территории района, осуществляется Сергиево-Посадским филиалом ГКУ Московской области «Мособллес».