Помимо древних исторических памятников уникальная природа Илийской долины, где расположился национальный парк, сохранила несколько природных феноменов, получивших мировую известность.
В первую очередь, это огромный песчаный массив под названием «Поющий бархан», возникший на открытой каменистой равнине между горами Большой и Малый Калкан. Площадь бархана составляет 240 га, он состоит из двух барханов: южного, высотой 150 м и северного около 100 м. Абсолютные высоты гребней барханов достигают 600-650 м. Особенное впечатление производит большой южный бархан, представляющий гору чистого кристаллического песка без единой травинки, с крутыми склонами, по которым нельзя взобраться вверх. Бархан был «создан» ветром. В течение столетий сильные западные и восточные ветры, дующие вдоль гор и реки Или, приносили с собой массы песка и сталкивались на стыке хребтов Большой и Малый Калкан, т.е. здесь образовалась «роза ветров». Песчинки оседали в этом месте, и спустя столетия здесь образовалась огромная песчаная гора. В результате сильного ветра и движения песка возникает гул, похожий на звук двигателя реактивного самолета. Обычно верхушка бархана как бы дымится от песчаной поземки. Любопытно, что бархан не кочует по равнине несмотря на зыбкость песка и сильные ветры, а остается на месте вот уже несколько тысячелетий. Природа происхождения звуков бархана исследовалась многими учеными, но к единому мнению они так и не пришли. Тайна звучания бархана породила немало народных легенд, бытующих до настоящего времени. Сейчас «Поющий бархан» путем народного голосования внесен в список «7 чудес Казахстана» и имеет официальный статус государственного памятника природы республиканского значения.
Горы Актау – самое живописное и уникальное по своим ландшафтам место в национальном парке. Это дно древнего моря, некогда заполнявшего Илийскую котловину. По мере исчезновения моря природа создала здесь красивейшие ущелья и каньоны из отвесных стен, сложенных разноцветными слоями пород: от зеленых и красных в нижней части до пестрых и белых в верхней. Высота отложений достигает 1000 м, основные каньоны сосредоточены в пределах трех основных логов, вытянутых сверху вниз на протяжении более 5 км. Общая площадь обнажения около 50 кв/км. Горы Актау – это одно из самых крупных палеонтологических местонахождений с отложениями кайнозойской эры, из которых четыре – это разновозрастные костеносные отложения, начиная с эоцена (около 50 млн. лет) до современности, и одно – с отпечатками растений.
В результате раскопок были обнаружены многочисленные останки древних животных, обитавших в разные геологические эпохи (поздний эоцен, верхний олигоцен, ранний миоцен, антропоген), например, болотные носороги – бронтотерия, крокодилы, моллюски, черепахи, гигантский носорог, мастодонты, олени. Полностью сохранившийся скелет бронтотерия и три черепа были обнаружены в ходе совместных казахско-американских экспедиционных работ в 1995-97 гг. и являются первыми наиболее полными материалами, найденными в Казахстане. Судя по сохранившимся остаткам стволов, отпечаткам листьев, основной растительностью здесь были ксерофильные леса, состоящие из тополей – предков современных туранговых, дубов, тугаев.
Горы Катутау не менее живописны, чем горы Актау, и образованы в результате действия вулканов. Лава после извержения вулканов застыла и образовала множество фантастических по своему облику фигур, скал и пещер темно-красного цвета. Здесь также встречаются разнообразные по рельефу и окраске (желтые, красные, фиолетовые и т.п.) выходы пород и пестроцветных глин, придающие неповторимый облик пейзажу гор. Несмотря на отсутствие водных источников, горы Катутау в древности также были заселены людьми. Об этом свидетельствуют наскальные рисунки архаров, козлов, оленей, домашних животных. Среди скал есть оазис, где, по преданиям, жили группы диких (снежных) людей, есть вырубленная в скалах пещера, на полу которой прорублен крест, – судя по всему убежище отшельника-христианина. Пещера могла быть вырублена в средние века и относиться к древнему патриархально-шаманскому культу урочищ.
На территории национального парка есть урочища с теплыми радоновыми источниками, где растут огромные по размерам деревья – ивы. Радоновые воды считаются целебными и помогают человеку исцелиться от многих болезней. В одном из урочищ Кольбастау растет 700-летняя ива. Ее толстые ветви опираются о землю, а обхватить дерево могут лишь несколько человек, взявшись за руки. Дерево считается священным, и его порча, по преданию, приносит смерть. По легенде, в XIII веке под этой ивой отдыхал грозный Чингиз-хан со своим войском во время похода на Среднюю Азию.
Пещера Унгуркора – самая большая пещера в национальном парке, расположенная в одном из труднодоступных ущелий. Устье пещеры достигает в высоту 20 метров, сама пещера имеет полукруглый вид, внутри ее могут расположиться несколько человек. Стены пещеры гладкие, как бы обработаны древними орудиями труда и покрыты черной смолой. Пещера могла служить жильем для древних людей, так как здесь были обнаружены остатки древних орудий и кости домашних животных.
Водопад «Снежный» – один из немногих водопадов в национальном парке в ущелье Кзылауыз. Водопад имеет в высоту 15 метров и функционирует весной, в период таяния снегов и после дождей до конца мая. Благодаря водопаду в ущелье возник зеленый оазис и сформировался особый микроклимат – в жаркую погоду среди безводных скал здесь всегда прохладно и комфортно. Рядом с этим водопадом есть и другой, поменьше размером.
По убеждению ученых, другим редким природным феноменом национального парка являются крайнеаридные пустыни – экосистемы этого типа пустынь на территории Казахстана встречаются только в Илийской котловине, в центре которой расположен национальный парк «Алтын-Эмель». В первозданном виде они сохранились только здесь. Эти экосистемы относятся к типу Джунгарских пустынь, распространенных в восточной части Центральной Азии (Гобийские пустыни Китая и Монголии) и подлежат строгой охране.