Město se rozkládá v jižní části chráněné krajinné oblasti Pálava mezi vápencovými bradly Turoldu a Svatého kopečku. Turold, poškozený někdejší těžbou vápence, je významnou přírodní rezervací a skrývá rozsáhlý jeskynní systém, v němž zimuje řada druhů netopýrů (např. ohrožený vrápenec malý). Zajímavosti Turoldu vám představí naučná stezka. Nejkrásnější ukázky skalní stepi chrání přírodní rezervace Svatý kopeček, jiné typy stepní vegetace, mj. i s velmi vzácným ovsířem stepním, hostí i přírodní rezervace Šibeničník jižně od města. Menší chráněné území s teplomilnou květenou představuje přírodní památka Růžový kopec. Severovýchodně od města leží rozsáhlý Milovický les tvořený mozaikou teplomilných doubrav a panonských dubohabřin. Pod ním na vršku Kienberg vystupují třetihorní sedimenty vídeňské pánve, stejnojmenná přírodní památka chrání bohaté naleziště zkamenělin. Rákosiny a mokřady kolem Nového rybníku a Šibeníku představují významné hnízdiště vodního ptactva.

V Mikulově sídlí Správa Chráněné krajinné oblasti Pálava.