Z geologického hľadiska ide o krasovú kaňonovitú dolinu potoka Prosiečanka. Dolina je tvorená vápencami a dolomitmi podobne ako celé Chočské vrchy. Erózna činnosť Prosiečanky vymodelovala typický krasový vzhľad doliny, ktorý sa sa prejavuje početnými skalnými bralami a vežami tvorenými z odolnejších vápencov. Typickým vonkajším krasovým znakom sú aj početné tiesňavy najmä na začiatku a v závere doliny.
V doline sa nachádza niekoľko vyvieračiek a ponorov (najmä na Svorade). Súvrstvia vápencov a dolomitov vytvárajú ideálne podmienky pre vznik jaskýň, z ktorých je najznámejšia Prosiecka jaskyňa.
Rastlinstvo
Flóra Prosieckej doliny je typická pre vápencové podložie. Z hľadiska vegetácie patrí do bukovej oblasti s početnými bukovými lesmi a jedľovými bučinami. Členitý reliéf v kombinácii so silným zahĺbením a častými inverziami spôsobili udržanie sa chladnomilných až alpínskych druhov rastlín ako reliktných spoločenstiev. Príkladom je výskyt plesnivca alpínskeho. Tento jav sa nazýva inverzia rastlín.
Bol tu zaznamenaný najnižší výskyt veroniky kríčkovitej (Veronica fruticans) na Slovensku vo výške kolo 700 m n. m..
Turistika
Prosiecka dolina býva považovaná za najkrajšiu dolinu najmä pre krasové útvary a pestrosť rastlín. Čitatelia časopisu Krásy Slovenska ju označili za najkrajšiu dolinu. Medzi najväčšie lákadlá patrí vodopád v závere doliny ku ktorému sa dá dostať z rázcestia Vidová a rebríky vedúce po skalách v tiesňavách.
Dolinou vedie náučný chodník, na ktorom sú inštalované početné informačné tabule popisujúce jej charakteristiky. Chodník začína v obci Prosiek a vedie po modrej značke naprieč celou dolinou. Pod bralom Kubín vybočuje k rebríkom smerom na lúky Svoradu, kde možno ďalej pokračovať po:
zelenom chodníku – doprava na Prosečné (1 372 m n. m.), odkiaľ pokračuje cez sedlo Ostruky k Hornému mlynu, kde sa napája na modrý chodník, ktorý pokračuje do Kvačianskej doliny, ktorá má podobný charakter ako Prosiecka dolina.
