Dolina Kościeliska jest doliną walną, tzn. sięga od podnóża Tatr do ich głównego grzbietu – grani głównej Tatr. Dolina Kościeliska ma ok. 9 km długości, obwód ok. 27 km, a powierzchnię ok. 35 km². Ma liczne boczne odgałęzienia, największe z nich to Dolina Miętusia, Dolina Tomanowa, Dolina Pyszna (Pyszniańska) – ta ostatnia leży w przedłużeniu głównego biegu Doliny Kościeliskiej i nie prowadzi tam współcześnie żaden znakowany szlak turystyczny.

Pozostałe większe odgałęzienia to:Żleb pod Wysranki, Wąwóz Kraków, Wściekły Żleb, Iwanowska Dolinka, Dolina Smytnia. Dnem doliny płynie Kościeliski Potok. Najwyższym szczytem w otoczeniu Doliny Kościelis kiej jest Błyszcz (2159 m n.p.m.). Z doliny jest widoczna, choć nie leży bezpośrednio nad nią, Bystra (2248 m n.p.m.) – najwyższy szczyt Tatr Zachodnich. W Dolinie Kościeliskiej znajduje się kilka bardzo popularnych jaskiń, między innymi Jaskinia Mroźna, Smocza Jama, Jaskinia Mylna i Jaskinia Raptawicka.

Dolina Kościeliska tworzy długi i głęboki wąwóz skalny, ściany którego w trzech miejscach zwanych bramami (Brama Kantaka, Brama Kraszewskiego i Brama Raptawicka), zbliżają się blisko do siebie. Dzieli się ją na trzy części: górną środkową i dolną. Południowa część doliny pomiędzy Tomanową Przełęczą, a szczytem Ornaku zbudowana jest ze skał krystalicznych. Wybitny wpływ na rzeźbę terenu wywarł tutaj lodowiec, zalegający niegdyś aż do wylotu Doliny Smytniej.

Część środkowa i dolna zbudowana jest ze skał osadowych, głównie podatnych na wietrzenie wapieni. W ich kształtowaniu główny udział miał płynący dnem doliny Kościeliski Potok, oraz płynące szczelinami we wnętrzu skał wody podziemne. Efektem ich działalności są skały o fantastycznych kształtach, strome ściany i liczne jaskinie.