Od wschodniej i południowej strony otaczają ją szczyty grani głównej Tatr Zachodnich od Ciemniaka przez Tomanowe Stoły, Tomanową Przełęcz, Tomanowy Wierch Polski po Smreczyński Wierch. Od północnej strony obramowanie doliny tworzy Tomanowy Grzbiet, Smreczyński Żar i Gubalec, od wschodniej Skrajny Smreczyński Grzbiet oddzielający ją od Doliny Pyszniańskiej – drugiego dużego odgałęzienia Doliny Kościeliskiej.

Dolina Tomanowa opada spod Tomanowej Przełęczy poprzez Kamienisty Żleb w północno-zachodnim kierunku, przy Polanie Smytniej uchodząc do Doliny Kościeliskiej. Dnem Doliny Tomanowej spływa Tomanowy Potok, będący dopływem Kościeliskiego Potoku. Dolina ma budowę asymetryczną. Po południowej stronie ma kilka bocznych odgałęzień, w kierunku od wschodu na zachód są to: Dolina Sucha Tomanowa, Zadnia Sucha Dolina Smreczyńska, Skrajna Sucha Dolina Smreczyńska. Po północnej stronie brak większych odgałęzień, prócz kilku żlebów, z których najwybitniejszy to Czerwony Żleb.

Dolinę Tomanową budują dwa rodzaje skał: południowe jej zbocza w grani głównej zbudowane są ze skał krystalicznych, północne ze skał osadowych (wapieni i dolomitów).

Z rzadkich w Polsce roślin stwierdzono występowanie złoci małej, a w Czerwonym Żlebie także ostrołódki polnej występującej tylko w Tatrach i to w nielicznych tylko miejscach. Na wapiennych skałach bogata flora roślin wapieniolubnych. W 2004 r. znaleziono w Czerwonym Żlebie trzy tropy dinozaurów pochodzące z górnego triasu (znajdują się w Muzeum Przyrodniczym Tatrzańskiego Parku Narodowego).

Niegdyś większa część doliny była wykarczowana i wypasana. Już w 1615 r. górale od króla Zygmunta III Wazy otrzymali zezwolenie na wykarczowanie i wypasanie tej doliny. Były tu 3 hale: Hala Tomanowa, leżąca po wschodniej stronie Tomanowego Potoku, Hala Smreczyny, leżąca po jego zachodniej stronie oraz część Hali Smytniej. Wypasu owiec i bydła zaprzestano w 1957 r., po utworzeniu tutaj ścisłego rezerwatu przyrody. Po halach pozostały obecnie nieduże i stopniowo zarastające lasem polany: Niżnia Polana Tomanowa, Wyżnia Polana Tomanowa i Wyżnia Smreczyńska Polana.

Dolina Tomanowa, z racji swojego położenia, stosunkowo łagodnych podejść oraz faktu, że ponad nią znajduje się jedna z najniższych w głównym grzbiecie Tatr Tomanowa Przełęcz, była od dawna głównym szlakiem wiodącym na drugą stronę Tatr. Wędrowali nią kupcy, zbójnicy, górnicy, pasterze, przemytnicy. W 1899 r. nawet projektowano wybudowanie tędy szosy łączącej Podhale z Liptowem. W Dolinie Tomanowej wydobywano kiedyś rudy metali, wspominają o tym już dokumenty z 1736 r. Później od górali halę wykupił hrabia Władysław Zamoyski. W 1927 r. wybudowano tutaj wzorcową bacówkę i urządzono pokazowy ośrodek szkolenia baców. W czasie II wojny światowej w budynku tej bacówki ukrywali się sowieccy partyzanci.