Gmina Chełm leży na obszarze dwóch makroregionów geograficznych, Polesia Wołyńskiego oraz Wyżyny Lubelskiej. Główną częścią pierwszej krainy są Pagóry Chełmskie, system łagodnych wzniesień, zbudowanych z margli kredowych i piaskowców. Na zachód od Pagórów rozciąga się Obniżenie Dorohuckie, równina na kredowym podłożu, której znaczne powierzchnie zajmują łąki oraz torfy. Od wschodu z Pagórami graniczy Obniżenie Dubienki, w którego podłożu również dominują utwory kredowe. Dodatkowo w licznych obniżeniach terenu występują piaski, torfowiska i mady, najczęściej porośnięte przez łąki i lasy. Hydrograficznie gmina należy do dorzecza Bugu, do którego wpadają główne rzeki regionu: Uherka (wraz z dopływami) i Udal. Klimatycznie leży na pograniczu strefy umiarkowanej i kontynentalnej. Obszar gminy jest bardzo zróżnicowany krajobrazowo, a gleby (najczęściej rędziny, lessy, mady) są na ogół bogate w składniki odżywcze. Warunkuje to dużą różnorodność siedlisk, a tym samym bogactwo gatunków roślin i zwierząt. Stosunkowo dużą powierzchnię (około 19 %), zajmują lasy, w większości lasy mieszane i liściaste, niezwykle bogate w chronione gatunki roślin.
Stan środowiska naturalnego, warunkowanego brakiem dużych zakładów przemysłowych i dominacją rolnictwa, pozwolił na objęcie terenów gminy systemem ochrony. Głównym obszarem jest Chełmski Park Krajobrazowy, utworzony w 1983 r. na powierzchni 16 457 ha (na obszarze gminy 4 702 ha). Urozmaicony krajobraz i różnorodność siedlisk sprawia, że park posiada bogaty świat roślin i zwierząt. Dotyczy to szczególnie terenów torfowiskowych, chronionych w rezerwatach „Bagno Serebryskie” i „Brzeźno” (tylko część znajduje się na terenie gminy, poza obszarem gminy znajduje się jeszcze rezerwat „Roskosz”). Wymienione rezerwaty chronią torfowiska niskie węglanowe i wraz z rezerwatem „Torfowisko Sobowice” stanowią najcenniejszy obiekt przyrodniczy w okolicach Chełma, którego walory są niezwykłe w skali Europy. Torfowiska tego rodzaju rozwijają się w zagłębieniach terenu na płytko zalegających pokładach kredy piszącej. Krajobraz uzupełniają jeszcze liczne wzniesienia kredowe z roślinnością ciepłolubną. Występowanie obok siebie roślinności torfowiskowej i kserotermicznej należy do wyjątkowo rzadkich zjawisk. Najbardziej wilgotne centralne części torfowisk porastają wielohektarowe łany kłoci wiechowatej, występującej w Polsce tylko na kilkunastu stanowiskach, lecz tylko w okolicach Chełma spotykanej w tak dużych ilościach i na tak rozległych powierzchniach. Ciekawe są także zespoły turzyc (darniowej, tunikowej, dwustronnej, prosowej, Davalla i Buxbauma). Ponadto na torfowiskach występuje wiele gatunków chronionych i rzadkich roślin, z tego 43 gatunki podlegają prawnej ochronie, wśród których występują niezwykle rzadkie: starzec cienisty i wielkolistny, języczka syberyjska i owadożerny tłustosz dwubarwny. Na łąkach otaczających torfowiska występują również: goździk pyszny, kosaciec syberyjski i zerwa kulista. Na kredowych wzniesieniach można spotkać: omana wąskolistnego, wiązówkę bulwkową, głowienkę wielkokwiatową i goryczkę krzyżową. Wśród wielu chronionych gatunków roślin w lasach parku można spotkać: wawrzynek wilczełyko, bluszcz pospolity i buławnik wielkokwiatowy. Niezwykle bogata jest fauna parku, na obszarze którego stwierdzono gniazdowanie 152 gatunków ptaków. Wśród kłoci wiechowatej gniazdują: błotniak popielaty, sowa błotna i bąk. Na przyległych łąkach występują: kulik wielki, derkacz i dubelt. Najcenniejszym ptakiem jest wodniczka i w rejonie torfowisk węglanowych bytuje jedna z czterech największych populacji tego gatunku w Polsce. W niedostępnych podmokłych drzewostanach gnieżdżą się również żurawie, a w partiach lasów graniczących z łąkami i torfowiskami zakładają gniazda orliki krzykliwe
Drugim obiektem jest Chełmski Obszar Chronionego Krajobrazu, położony w północnej i centralnej części powiatu chełmskiego. Tworzą go krajobrazy Pagórów Chełmskich i Obniżenia Dubienki. W lasach tego obszaru występują najczęściej drzewostany wielogatunkowe (zwłaszcza przekształcone grądy lipowo-grabowe z udziałem grabu, dębu, osiki, klonu, sosny lub dąbrowy świetliste) z bogatym runem, zaś w obniżeniach terenu torfowiska. Obok rezerwatów położonych na obszarze Chełmskiego Parku Krajobrazowego, na terenie gminy znajduje się jeszcze rezerwat florystyczno-stepowy „Stawska Góra”, utworzony w 1956 r. na powierzchni 4 ha. Usytuowany jest na malowniczym wzniesieniu, należącym do Pagórów Chełmskich, na wierzchowinie bocznej kulminacji Góry Czubatki. Na terenie tego rezerwatu stwierdzono występowanie 216 gatunków roślin naczyniowych i 28 gatunków mchów. Wśród nich 30 należy do gatunków rzadkich, w tym 6 objętych jest ochroną ścisłą. Najbardziej znaną rośliną rezerwatu jest dziewięćsił popłocholistny, występujący jeszcze w trzech miejscach w Polsce.
Obszary chronione uzupełniają liczne pomniki przyrody. Jeden z najciekawszych znajduje się w miejscowości Horodyszcze-Kolonia. Jest to wzgórze widokowe „Dziewicza Góra”. Obiekt utworzony ze względu na walory krajobrazowe porośniętego dębami wzniesienia. Chronione drzewa znajdują się na terenie parku podworskiego w Nowych Depułtyczach (kasztanowiec biały i dąb szypułkowy). W parku podworskim w Stawie, znajdują się dwie pomnikowe lipy drobnolistne. Natomiast w Stańkowie znajdują się trzy modrzewie europejskie. Najmłodsze obiekty usytuowane są w Nowosiółkach Kolonii (źródło z niszą źródłową) oraz w Leśnictwie Góry (stanowisko groszku wschodniokarpackiego).
System obiektów chronionych uzupełniają użytki ekologiczne. Są to głównie tereny bagienno-torfowiskowe, usytuowane w okolicach Janowa, Nowosiółek, Srebrzyszcza, Stańkowa i Zawadówki. W sumie tą formą ochrony objęto prawie 400 hektarów terenu. Część terenów gminy, wraz z obiektami chronionymi, została również włączona do sieci obszarów Natura 2000. W ramach tzw. „dyrektywy ptasiej” objęto ochroną teren „Chełmskich Torfowisk Węglanowych”. Natomiast w ramach tzw. „dyrektywy siedliskowej” ochroną objęto cztery obszary: „Torfowiska Chełmskie”, „Torfowisko Sobowice”, „Stawska Góra” oraz „Nowosiółki – Julianów”.