Lungo le sponde del fiume Napa il suolo è fertile e ben drenato, mentre in cima alle montagne la concentrazione di rocce tossiche e la scarsità di sostanze biologiche sono tali da impedire persino la crescita della vite - ben nota per la sua capacità di adattamento anche ai suoli considerati improduttivi per altre coltivazioni agricole su vasta scala. Tra questi due estremi geologici si situano le pendici delle montagne, che forniscono moltissimi elementi nutritivi di primaria importanza ma un ambiente sufficientemente inospitale da donare uno spiccato aroma alle uve che vi crescono.

Anche il clima della valle è assai vario. Alla latitudine di 38º di solito c'è troppo sole per coltivare vitigni di alta qualità, ma in questa zona la temperatura è moderata grazie al benefico effetto del Coriolis, provocato dalla Corrente della California che spinge le acque quasi gelide dell'Alaska lungo le coste dello stato, raffreddando tutta la regione. Nella Valle di Napa si contano cinque principali zone climatiche (e 15 microclimi attestati), con una variazione di 12ºC tra Calistoga e la più fresca Napa in una qualunque giornata estiva. Queste variazioni climatiche e dei suoli hanno dato origine ai caratteristici aromi dei vini ottenuti da vitigni diversi coltivati in varie zone della valle.

Sebbene la popolazione assai scarsa (almeno secondo gli standard californiani) mantenga la Napa Valley relativamente esente dai problemi ambientali che hanno invece colpito la vicina Bay Area, la situazione è purtroppo cambiata negli ultimi anni. L'irrigazione su vasta scala, l'utilizzo di fertilizzanti e di pesticidi, il disboscamento per far posto a un maggior numero di vigneti, e il rapido aumento dell'urbanizzazione sono tutti elementi che preoccupano gli ambientalisti. Il fiume Napa e i suoi affluenti stanno già risentendo della situazione, mentre l'incremento del turismo ha trasformato questo paradiso rurale in una realtà potenzialmente critica dal punto di vista ecologico.