Pantanal e Chapada dos Guimarães são os populares santuários ecológicos que Cuiabá oferece aos visitantes. Na baixada cuiabana - depressão geográfica da bacia do rio Paraguai - começa a se formar a reserva biológica do Pantanal, irrigado pelos rios Paraguai, Cuiabá, São Lourenço, Manso e Vermelho.

O vasto Pantanal é considerado a maior planície alagada do mundo, controlada pelo regime cíclico das águas que se repete há milhões de anos. A única superfície úmida do planeta, ocupando 133.465km², também abriga a maior reserva ictiológica da América do Sul.

Com uma variedade de ecossistemas devido a existência de rios oriundos de diferentes regiões, carregando sedimentos e inundando solos em épocas diferentes, o Pantanal apresenta uma grande variedade de espécies animais, principalmente aves como jaburu, garça, tuiuiu, arara, colhereiro etc e mamíferos como a onça-pintada, anta, jaguatirica, gato-do-mato, cachorro-vinagre e o lobo-guará.

Para se chegar ao Pantanal por via terrestre, é preciso seguir pela BR 364 até Cuiabá. Por via aérea, o aeroporto mais próximo é o Marechal Rondon, localizado no município de Várzea Grande, vizinho a Cuiabá.

A Chapada dos Guimarães tem 70% de sua área em Cuiabá, estando distante da cidade a apenas 65 Km. Localizada exatamente no Centro Geodésico da América do Sul, ao sul do estado, a chapada tem altitudes que chegam a 900 metros, com uma brisa constante e temperaturas baixas no inverno (zero grau) e altas no verão (40 graus).

A vegetação é rica e diversificada, composta por cerrado com matas de galerias e grotas que abrigam florestas. Lá, florescem espécies de vários ecossistemas como plantas da mata Atlântica, da Amazônia e Pantanal.

No percurso entre Cuiabá e a chapada, os turistas dispõem de uma variedade de cachoeiras adornando a paisagem. A mais conhecida é a Véu de Noiva com 75 metros de queda livre.

Devido à riqueza da flora e fauna, o Governo Federal transformou 3.300 hectares em parque nacional.