Tjörnekalv har en omväxlande och intressant natur. På ön finns klippor, dalgångar, gamla odlings- och betesmarker, lövlundar och många vikar.
Geologiska formationer ger Tjörnekalv en varierande karaktär från mörka till ljusa skiftningar. Öns högsta punkt är Klonken, 57 m över havet med imponerande utsikt över grannöarna Åstol, Dyrön, Klädesholmen och längre bort syns Marstrand och Pater Noster. I bergen på södra delen finns ett tjugotal jättegrytor. Tjörnekalv har flera skyddade badvikar med både sand och branta klippor.
I lä från bergen frodas växtligheten. Artrikedomen på Kalven är stor, man har hittat 245 olika arter – både vanliga och ovanliga. Här finns bl.a. rosenrot, myskgräs, smånunneört och tom blommande hjortron (!). På hösten lyser ljungen i alla nyanser. Orchidéer blommar vissa år. En del av de gamla betesmarksväxterna finns också kvar i stigarnas utkanter.
Man kan stöta på en hel del vilt såsom rådjur, hare, räv, ekorre, mink och grävling. Göken hörs varje vår och 2003 hade tornfalken sitt bo på en berghylla.
Några av de populära platserna att besöka är, förutom jättegrytorna och Klonken, även dammen Trinnemyra med röda näckrosor, badvikar Gröne Viga, Kummineviga, Sundet och Lauste med Glasa. Det finns skyltar som visar vägen.
Tjörnekalvs natur har betecknats som värdefull och intressant för rekreation och friluftsliv särskilt de orörda områdena mot öppet hav. Havet utanför Tjörnekalv och mot Pater Noster ingår i ett Natura 2000 Reservat.
