Panemunių regioniniame parke saugomas Nemuno žemupio slėnio kraštovaizdis su šlaitų eroziniais kompleksais, giliais mažųjų upelių žemupiais. Jis įsteigtas išsaugoti:

• vertingą Nemuno žemupio slėnio kraštovaizdį su šlaitų eroziniais kompleksais, gilius mažųjų upelių žemupius, Užnykio mišką bei Nemuno šlaitų augalijos bendrijas;
• kultūriniu požiūriu ypač vertingus stambiausios Lietuvoje kryžiuočių karų laikotarpio XIII-XV a. Nemuno gynybinės linijos fragmentus – Nemuno slėnio šlaitus su piliakalniais, piliavietėmis, unikaliomis pilimis, pilkapiais, taip pat pirmųjų žmonių gyvenviečių liekanas, urbanistinius Veliuonos ir Seredžiaus kompleksus, dvarų ansamblius su parkais;
• gamtinės ekosistemos stabilumą, biotos komponentus, savitą augaliją ir gyvūniją, natūralius žuvų migracijos kelius bei nerštavietes.

Plataus išraiškingo stačiašlaičio Nemuno slėnio kraštovaizdis čia kitoks nei Nemuno kilpų regioniniame ar Dzūkijos nacionaliniame parkuose. Plačios erdvės įrėmintos aukštų stačių šlaitų, šlaituose vertingi stambiausios Lietuvoje kryžiuočių karų laikotarpio XIII–XV a. Nemuno gynybinės linijos fragmentai – Veliuonos, Seredžiaus ir kitais piliakalniai, pilių ir bažnyčių kuorai. Nemuno žemupio slėnio kraštovaizdis pasidabinęs šlaitų eroziniais kompleksais, giliais mažųjų upelių žemupiais. Dvarų gausa, dvarų parkų įvairovė, ilgiausias ir ryškiausias Lietuvoje Nemuno gynybinės linijos fragmentas, upė – gatvė. Nemuno upė ir jos intakai svarbūs paprastojo skersnukio (Chondrostoma nasus), vijūno (Misgurnus fossilis), lašišos (Salmo salar) nerštui ir migracijai, Nemuno upės pakrantės ir salos svarbios globaliai nykstančių upinių (Sterna hirunda) ir mažųjų (Sterna albifrons) žuvėdroms perėjimo laikotarpiu, Nemuno slėnio pievos svarbios griežlių (Crexcrex),raibųjųdevynbalsių (Sylvianisoria), paprastųjų medšarkių (Lanius colurio) buveinės, Nemuno slėnio šlaite įsikūrusios dygiųjų slyvų (Prunus spinosa) bendrijos, vertingas Užnykio miškas su Velniaravio gamtiniame rezervate saugoma sengire ir juodųjų gandrų (Ciconia nigra), mažųjų erelių rėksnių (Aqiula pomarina) maitinimosi ir perėjimo vietomis.

Panemunių regioninis parkas yra unikalioje slėninių erozinių bei hidrologinių procesų sukurtoje hidrografinėje–morfologinėje struktūroje. Stačių erozinių Nemuno šlaitų raiškumą dar labiau didina abipus Nemuno sukurtos gynybinių piliakalnių grandinės. Pasižymi gamtos bei kultūros paveldo objektų gausa, dideliu rekreaciniu ir pažintiniu turistiniu potencialu. Ypatingą vietą jo tapatybei turi plati Nemuno žemupio vaga (13 % regioninio parko ploto) ir naujaisiais amžiais pastatytos reprezentacinės pilys.

Panemunių regioninio parko kraštovaizdžio įvairovę sukuria šie svarbiausi kraštovaizdžio tipai: miškingo bei mažai sukultūrinto plataus fliuvialinio slėnio, sukultūrinto bei mažai urbanizuoto plataus fliuvialinio slėnio, miškingų bei mažai sukultūrintų gilaus erozinio slėnio šlaitų, miškingų bei mažai sukultūrintų gilių raguvų ir griovų, miškingų bei sukultūrintų smulkių raguvotų erozinių slėnių, natūralių bei sukultūrintų erozinių gūbrių ir atragių, miškingų smėlingų fliuvioglacialinių terasų, natūralių ir mažai sukultūrintų nedidelių upelių, akumuliacinių upinių salų, sukultūrintų molingų limnoglacialinių lygumų ir paslėnio gyvenviečių.

Natūralios augalijos ploto tokioje urbanizuotoje teritorijoje ne tiek jau daug. Daugiausia jie išlikę žemės ūkio naudmenoms netinkamose vietose, t. y. šlaituose, palei pat upelius. Ištisinių didelių miško masyvų neišlikę. Dažniausiai tai siauros miško juostos upelių, griovų ir Nemuno šlaituose. Išlikę senesni miškai įspūdingi stambiais plačialapiais medžiais. Natūralios pievos išlikusios nedideliais plotais ganomose ar šienaujamose vietose. Parko teritorijoje tokių pievų nedaug. Slėnių šlaitų pievos šiuo metu nebešienaujamos ir jose vyksta sukcesiniai procesai. Sutinkamos kelios retos šikšnosparnių rūšys, fiksuotas šermuonėlis, ūdros. Bebrų gausų Armenos upelyje. Tiek sukultūrintose tiek natūraliose Nemuno pievose peri griežlės, švygždos. Sutinkami vieni gražiausių Lietuvos paukščių – kukutis, tulžys ir bitininkas. Parko teritorijoje peri upinės ir mažosios žuvėdros. Jos lizdus suka tik smėlėtose ar dalinai žoline augalija padegtose salelėse, rudeninės migracijos metu, prie Nemuno galima stebėti didžiuosius baltuosius garnius. kartais - juoduosius gandrus. Miškuose daug geninių paukščių- juodųjų, žaliųjų ir pilkųjų meletų, įvairių rūšių genių. Čia sutinkami didysis auksinukas, juodasis apolonas, gencijoninis ir kraujalakinis melsviai. Aptikti marmurinis ir niūriaspalvis auksavabaliai. 

Gamtos ir kultūros paveldo vertybėms išsaugoti Panemunių regioniniame parke skirti 1 gamtinis rezervatas ir 15 draustinių (4 kraštovaizdžio, 6 geomorfologiniai, 4 botaniniai, 1 botaninis-zoologinis).

Velniaravio gamtiniame rezervate saugomi seni brandūs, sengirėms artimi medynai su vyraujančiomis retų ir nykstančių augalų bendrijomis, didžiausias regioniniame parke brandžių skroblynų masyvas.

Kraštovaizdžio draustiniuose saugoma: Nemuno – Nemuno žemupio slėnio kraštovaizdžio etalonas su šalia slėnio esančiomis gamtinėmis (Plokščių erozinis raguvynas, Pupkaimio kalvagūbris, Obeliškių, Veliuonos, Graužėnų eroziniai atragiai, Veliuonos sufozinis cirkas, Didžupio–Vaiguvos slėniai su Šventduobės šaltiniu) ir kultūrinėmis (kultūros paveldo vietovė – Veliuonos miestelis, Veliuonos piliakalniai, piliavietė, Veliuonos dvaro sodyba, Raudonės pilies kompleksas, Plokščių (Vaiguviškių), Kubilių (Šilavėnų), Stulgių, Raudonėnų piliakalniai, kt.) vertybėmis; Nykos – Nykos ir Nykutės erozinių slėnių kompleksai su Misiūnų, Dulinčiškių piliakalniais, Ilguvos bažnyčia, retų ir nykstančių augalų (tuščiavidurių rūtenių, miškinių dirvuolių, gebenių lipikių, miškinių varnalėšų, dirvinių česnakų, dygiųjų slyvų) bendrijomis; Pilies – Panemunės (Gelgaudų) pilies kompleksas; Seredžiaus – vertingas Nemuno ir Dubysos santakos kraštovaizdis, Seredžiaus miestelio gatvių tinklas ir erdvinė struktūra, Seredžiaus piliakalnis su senovės gyvenviete, Seredžiaus piliavietė, senojo miesto vieta ir kapinynas, Belvederio dvaro sodyba.

Geomorfologiniuose draustiniuose saugoma: Antkalnės – vėduoklės formos erozinis kompleksas su dygiųjų krūmynų bendrijomis; Armenos – gilios sąskaidos, smarkiai raguvotas Armenos žemupio erozinis kompleksas; Kartupio – unikalus ištęstas Kartupio erozinis salagūbris; Šilupės – siauras skardingas Šilupės erozinis kompleksas; Tučių – stambiai grioviuotas Nemuno slėnio šlaitų kompleksas; Virangės – siauras skardingas Virangės erozinis kompleksas.

Botaniniuose draustiniuose saugoma: Dubausio – natūralios žolinės atvirų šlaitų ir stepinių termofilinių augalų bendrijos su retų rūšių cenopopuliacijomis; Gystaus – regionui būdingos upių šlaitų lapuočių miškų, dygiųjų krūmynų ir žolinių augalų bendrijos; Klangių – didžiausia Lietuvoje dygiųjų krūmynų įvairovė su termofilinių bendrijų fragmentais; Šilinės – lėkštame šlaite ir negiliose raguvose susiformavę ąžuolynai, pušynai ir lapuočių medynai.

Rečių botaniniame-zoologiniame draustinyje saugomos Nemuno upės salpai būdingos užliejamųjų pievų bendrijos, plačialapių miškų gyvūnų gausa ir įvairovė, paukščių perimvietės.

Panemunių regioniniame parke yra 11 valstybės saugomų gamtos paveldo objektų. Regioniniame parke yra 63 nekilnojami kultūros paveldo objektai, iš jų 13 kultūros paminklų.