Der Naturpark wurde 1980 gegründet und nimmt eine Fläche von 1 292 Quadratkilometern ein. Er umfasst sehr unterschiedlich geprägte Landschaften. Der größte Teil gehört zum südlichen Odenwald. Daneben hat der Naturpark im Süden Anteil an den Randbereichen des Kraichgaus und im Osten am Bauland. Das Engtal des Neckars windet sich in vielen Schlingen von Süden nach Norden durch das Gelände. Im Norden grenzt der Naturpark Bergstraße-Odenwald an, im Südwesten sind die Städte Heidelberg und Mannheim vorgelagert.

Vegetation und Tierwelt des Naturparks Neckartal-Odenwald bieten verschiedene Besonderheiten. Die Stadt Buchen hat ihren Namen von den in der Umgebung liegenden Mischwäldern, in denen auch zahlreiche Buchen zu finden sind. Roter und Schwarzer Holunder, Weißdorn und Pfaffenhütchen sind in den Strauchschichten verbreitet. Zur Fauna gehören neben den üblichen Wildarten der Mittelgebirge der Siebenschläfer, der Gartenschläfer und die Haselmaus. Sie alle gehören der Nagetierfamilie der Schläfer an.

Der höchste Berg des Odenwalds ist der Katzenbuckel, ein erloschener Vulkanschlot, der eine Höhe von 626 Metern erreicht. Vom vulkanischen Ursprung zeugen zwei Aufschlüsse, an denen der Basalt zum Vorschein kommt. Der 550 Meter hohe Aussichtsberg Weißer Stein liegt östlich von Dossenheim. Am Nordhang des Königstuhles befindet sich das Naturschutzgebiet Felsenmeer, das aus einem bis zu 300 Meter breiten Gebiet aus Buntsandsteinblöcken besteht.

Sehenswert ist die Eberstadter Tropfsteinhöhle, die knapp außerhalb der östlichen Grenze des Naturparks liegt. In der auf einer Länge von 610 Metern zugänglichen Höhle können bizarre Tropfsteinformationen besichtigt werden. In der Sandgrube am Grafenrain unweit der Ortschaft Mauer wurde 1907 der Unterkieferknochen des Homo erectus heidelbergensis gefunden, der als ältester Beleg für das Vorkommen von Menschen in Europa gilt. Zu den erwähnenswerten Städten des Naturparks gehören neben der Altstadt von Heidelberg die Städte Weinheim und Schriesheim am westlichen Rand des Naturparks. Weinheim, die Stadt an der Bergstraße, hat einen sehenswerten Schlossgarten und einen interessanten Steinbruch, wo sich die Erdgeschichte eindrucksvoll nachvollziehen lässt. Schriesheim, das von der Strahlenburg überragt wird, ist bekannt wegen der Grube Anna-Elisabeth, in der man ab dem 15. Jahrhundert Silber abbaute. Sie ist heute ein Besucherbergwerk. In Walldürn, im Nordosten des Naturparks gelegen, steht die barocke Wallfahrtskirche zum Heiligen Blut. Erwähnenswert sind außerdem die Stadt Mosbach mit ihren Fachwerkbauten, die Kleinstadt Adelsheim mit dem Bauländer Heimatmuseum und die Stauferstadt Eberbach, deren Stadtbefestigung zum Teil noch erhalten ist.

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