อุทยานแห่งชาติดอยหลวง มีอาณาเขตครอบคลุมพื้นที่รอยต่อของ 3 จังหวัด คือ เชียงราย ลำปาง และพะเยา เป็นอุทยานแห่งชาติที่ได้ยกฐานะมาจากวนอุทยานน้ำตกจำปาทอง วนอุทยานน้ำตกผาเกล็ดนาค วนอุทยานน้ำตกปูแกง และวนอุทยานน้ำตกวังแก้ว รวม 4 แห่ง ที่มีพื้นที่ติดต่อเป็นผืนเดียวกัน มีสภาพธรรมชาติ และจุดเด่นเป็นแหล่งท่องเที่ยว ที่มีความสวยงามมากแห่งหนึ่งของภาคเหนือ มีเนื้อที่ทั้งหมดประมาณ 731,250 ไร่ หรือ 1,170 ตารางกิโลเมตร

กองอุทยานแห่งชาติได้มีหนังสือ ที่ กส 0708/3430 ลงวันที่ 30 พฤศจิกายน 2524 เสนอกรมป่าไม้ เพื่อขอยกฐานะวนอุทยานน้ำตกจำปาทอง วนอุทยานน้ำตกผาเกล็ดนาค อำเภอเมือง จังหวัดพะเยา และวนอุทยานน้ำตกปูแกง อำเภอพาน จังหวัดเชียงราย ซึ่งมีอาณาเขตติดต่อกัน และอยู่ในป่าเทือกเขาดอยหลวงด้วยกัน เป็นอุทยานแห่งชาติดอยหลวง โดยได้มีคำสั่งกรมป่าไม้ ที่ 1578/2524 ลงวันที่ 1 ธันวาคม 2524 ให้ นายธวัชชัย เสถียรกาล นักวิชาการป่า 4 ไปทำการสำรวจเบื้องต้นและทำหน้าที่หัวหน้าอุทยานแห่งชาติดอยหลวง ซึ่งอุทยานแห่งชาติดอยหลวงได้มีหนังสือที่ กษ 0713(ดล)/5 ลงวันที่ 2 มิถุนายน 2525 ส่งรายงานการสำรวจ ปรากฏว่าพื้นที่ดังกล่าว มีจุดเด่นทางธรรมชาติที่สวยงามหลายแห่ง มีสภาพป่าที่อุดมสมบูรณ์ เหมาะสมที่จะรวมวนอุทยานทั้งหมด จัดตั้งเป็นอุทยานแห่งชาติ

ต่อมาจังหวัดลำปาง และป่าไม้เขตลำปาง ได้ขอให้กรมป่าไม้จัดบริเวณวนอุทยาน น้ำตกวังแก้ว จังหวัดลำปาง เป็นอุทยานแห่งชาติเพื่อให้สอดคล้องกับมติคณะรัฐ เมื่อวันที่ 25 มกราคม 2526 ที่กำหนดให้จังหวัดลำปางเป็นจังหวัดส่งเสริมการท่องเที่ยว ผลการสำรวจปรากฏว่า มีพื้นที่เป็นบริเวณติดต่ออยู่ในเทือกเขาดอยหลวง ซึ่งเป็นป่าผืนเดียวกันทั้งหมดและเป็นป่าต้นน้ำลำธารชั้นที่ 1 A ตามมติคณะรัฐมนตรี เมื่อวันที่ 28 พฤษภาคม 2528 และเป็นแหล่งต้นน้ำลำธารที่สำคัญของลำห้วยหลายสายซึ่งไหลลงสู่กว้านพะเยา พื้นที่ที่สำรวจมีธรรมชาติและจุดเด่นที่สวยงามมากมาย เหมาะสำหรับการจัดตั้งเป็นอุทยานแห่งชาติ

กองอุทยานแห่งชาติ กรมป่าไม้ ได้นำเสนอคณะกรรมการอุทยานแห่งชาติมีมติในการประชุมครั้งที่ 4/2523 เมื่อวันที่ 30 ตุลาคม 2528 เห็นชอบในหลักการ ที่จะให้ดำเนินการ ออกพระราชกฤษฎีกา กำหนดพื้นที่ดังกล่าว เป็นอุทยานแห่งชาติดอยหลวงต่อไปได้ ทั้งนี้ให้กันพื้นที่บริเวณที่ราษฎรถือครองออกเสียก่อน โดยให้ยึดถือแนวทางปฏิบัติ ตามมติคณะรัฐมนตรี เมื่อวันที่ 12 มิถุนายน 2527 คือ ให้ยึดถือภาพถ่ายทางอากาศปี 2510 เป็นเกณฑ์พิจารณา

กองอุทยานแห่งชาติ จึงได้ติดต่อประสานงาน กับเจ้าหน้าที่ท้องที่ดำเนินการตรวจสอบ เพื่อดำเนินการออกประกาศพระราชกฤษฎีกา กำหนดบริเวณที่ดินป่าแม่ลาวฝั่งขวา ป่าแม่ส้าน และป่าแม่ใจ ในท้องที่ตำบลแม่สรวย ตำบลแม่พริก ตำบลศรีถ้อย ตำบลท่าก๊อ อำเภอแม่สรวย ตำบลธารทอง ตำบลทรายขาว ตำบลสันกลาง ตำบลป่าหุ่ง ตำบลม่วงคำ ตำบลแม่เย็น อำเภอพาน ตำบลสันสลี ตำบลเวียง ตำบลบ้านโป่ง ตำบลป่างิ้ว ตำบลหัวฝาย อำเภอเวียงป่าเป้า จังหวัดเชียงราย ตำบลป่าแฝก ตำบลเจริญราษฎร์ ตำบลศรีถ้อย ตำบลแม่สุก อำเภอแม่ใจ จังหวัดพะเยา ป่าขุนวัง แปลงที่สอง ป่าขุนวังแปลงที่สาม ป่าขุนวังแปลงที่หนึ่ง ป่าแม่โป่ง และป่าแม่งาวฝั่งซ้าย ในท้องที่ตำบลทุ่งฮั้ว ตำบลวังเหนือ ตำบลวังใต้ ตำบลร่องเคาะ อำเภอวังเหนือ และตำบลบ้านร้อง อำเภองาว จังหวัดลำปาง และป่าแม่ต้ำ ป่าแม่นาเรือ ในท้องที่ตำบลบ้านใหม่ ตำบลท่าจำปี ตำบลบ้านต้ำ ตำบลบ้านต๋อม ตำบลบ้านสาง ตำบลบ้านตุ่น ตำบลแม่นาเรือ อำเภอพะเยา จังหวัดพะเยา ให้เป็นอุทยานแห่งชาติดอยหลวง ซึ่งประกาศในราชกิจจานุเบกษา เล่ม 107 ตอนที่ 61 ลงวันที่ 16 เมษายน 2533 มีพื้นที่ทั้งหมด 731,250 ไร่ เป็นอุทยานแห่งชาติลำดับที่ 61 ของประเทศ

สภาพภูมิประเทศเป็นเทือกเขาสลับซับซ้อนทอดตัวยาวตามแนวเหนือ-ใต้ โดยค่อนข้างสูงขึ้นจากทางเหนือลงมาทางใต้ โดยมีจุดสูงสุดคือ ยอดดอยหลวง ซึ่งมีความสูงประมาณ 1,694 เมตรจากระดับน้ำทะเลปานกลาง และสภาพดินเป็นดินลูกรังผสมหินโดยเฉพาะบนยอดเขา ส่วนบริเวณหุบเขาจะมีดินสีดำอุดมไปด้วยแร่ธาตุ และหินมีลักษณะเป็นหินกรวดหรือหินปูนทราย เป็นป่าต้นน้ำของแม่น้ำวังและกว๊านพะเยา

ประกอบไปด้วยฤดูกาล 3 ฤดูกาล คือ ฤดูฝน ระหว่างเดือนมิถุนายน-ตุลาคม ฤดูหนาว ระหว่างเดือนพฤศจิกายน-มกราคม ฤดูร้อน ระหว่างเดือนกุมภาพันธ์-พฤษภาคม

ประกอบด้วยป่าชนิดต่างๆ 5 ประเภท ได้แก่ ป่าเบญจพรรณ ป่าเต็งรัง ป่าดิบชื้น ป่าดิบแล้ง และป่าสนเขา มีพันธุ์ไม้ที่สำคัญ เช่น สัก เสลา อินทนิน มะขามป้อม มะกอกป่า มะม่วงป่า ตะเคียนหิน ตะเคียนทอง ชิงชัน ประดู่ กระบก ยมหิน ยมหอม บุนนาค เต็ง รัง เหียง พลวง ยางนา หว้า ก่อเดือย ก่อแป้น ก่อกำยาน สนสามใบ รวมถึงไผ่ขาว ไผ่บง กล้วยป่า เฟินก้านดำ ขิง ข่า กล้วยไม้ดิน ชายผ้าสีดา กระแตไต่ไม้ เอื้องผึ้ง หวายป่า เท้าสิงห์โต เอื้องหมายนา ค้างคาวดำ ดุสิตา แววมยุรา กระดุมเงิน

สัตว์ป่าประกอบด้วย เลียงผา เก้ง กวางป่า หมูป่า หมี อีเห็น ชะมด บ่าง ชะนี ลิงกัง เสือดาว แมวดำ หมาใน กระต่ายป่า กระรอกบิน ตะกวด เต่าปูลู งูชนิดต่างๆ รวมไปถึงไก่ป่า นกเงือก นกพญาไฟพันธุ์เหนือ นกปีกลายสก็อต นกกางเขนหัวขาวท้ายแดง นกศิวะปีกสีฟ้า และนกย้ายถิ่นหายาก เช่น นกกินปลีหางยาวคอสีดำ และนกอื่นมากมายกว่า 200 ชนิด นอกจากนี้ยังมีแมลงมากมายหลายชนิด เช่น ผีเสื้อกลางวัน ผีเสื้อกลางคืน กว่างห้าเขา ผีเสื้อใบไม้ใหญ่ ผีเสื้อหางติ่งปารีส ผีเสื้อถุงทอง เป็นต้น