Dolina wiosną przyciąga licznych fotografów krokusów, a zimą narciarzy biegowych i turowych.
W dolnej części, o długości ok. 4 km istnieje głęboki wąwóz, występują przewężenia, zwane bramami. Są dwa takie przewężenia: Niżnia Brama Chochołowska i Wyżnia Brama Chochołowska. Górna część doliny rozdziela się na trzy główne ramiona: Dolinę Starorobociańską, Dolinę Chochołowską Wyżnią i Dolinę Jarząbczą. Oprócz tych głównych odgałęzień Dolina Chochołowska posiada jeszcze wiele mniejszych dolin: Mała Sucha Dolina, Wielka Sucha Dolina, Dolina Huciańska, Dudowa, Trzydniowiańska, Głębowiec, Długa, Kryta, Wielkie Koryciska, Małe Koryciska oraz wiele żlebów.
Nazwę swą dolina zawdzięcza oddalonej o kilkanaście kilometrów wsi Chochołów. Dzięki występowaniu w dolinie dużej powierzchni polan i hal, stała się ona największym ośrodkiem pasterstwa w Tatrach. W 1930 r. 70 juhasów wypasało na niej ok. 4000 owiec, ponadto 280 pastuchów wypasało bydło. Ogromna też była liczba szałasów, bacówek i szop. Często pomieszkiwali w nich zbójnicy, dopóki nie wytępiono ich w Tatrach – w roku 1809 stoczyli zwycięską potyczkę na polanie Huciska.
Dolina Chochołowska miała też swoją przeszłość górniczą. Już od XVI w. prowadzono na niej prace górnicze i hutnicze, które trwały aż do drugiej połowy XIX wieku. Głównie wydobywano rudy żelaza, które początkowo wytapiano na miejscu, później zwożono je tzw. Drogą pod Reglami do huty w Kuźnicach.
Na pięknie Doliny Chochołowskiej poznali się też turyści. Pierwsi pojawili się tutaj już w XIX wieku. Dopiero przed I wojną światową uzyskała dolina większą popularność, głównie dzięki narciarzom i taternikom. W latach 1930–1932 Warszawski Klub Narciarski wybudował duże schronisko na Polanie Chochołowskiej. To wydatnie wpłynęło na rozwój turystyki w tej dolinie, szczególnie narciarstwa.
W czasie II wojny światowej istniejące w dolinie schroniska i liczne szałasy stanowiły bazę dla partyzantów polskich. W czasie walk z partyzantami na początku stycznia 1945 roku Niemcy spalili okoliczne schroniska, liczne szałasy i szopy. Dolina Chochołowska była też miejscem, w którym hitlerowcy rozstrzeliwali zakładników i więźniów. Okoliczne lasy były rabunkowo wycinane na potrzeby dużego zakładu drzewnego Luftwaffe w Czarnym Dunajcu.
Po drugiej wojnie światowej w latach 1951-1953 w miejsce spalonego przez Niemców schroniska wybudowano nowe, duże schronisko PTTK na Polanie Chochołowskiej, które stało się główną bazą wypadową turystyki letniej i zimowej w tej części Tatr. Polana Chochołowska była ulubionym miejscem turystycznym Karola Wojtyły, bywał tutaj wielokrotnie.
W Dolinie Chochołowskiej nakręcono do filmu Potop scenę z kuligiem, a także siódmy odcinek Janosika. Tutaj również przeprowadzane były szkolenia komandosów i zawody ratowników tatrzańskich.
Dolina znajduje się na terenie Tatrzańskiego Parku Narodowego, ale nie jest jego własnością, lecz należy do Wspólnoty Leśnej Uprawnionych Ośmiu Wsi z siedzibą w Witowie.
Aż 2/3 doliny pokryte jest lasami świerkowymi. W dolnej części doliny występują dolnoreglowe lasy z domieszką buka, jodły i reliktowej sosny zwyczajnej, która ma tutaj największe skupisko w polskich Tatrach.
Dolina Chochołowska jest też ostoją dzikich zwierząt. Odbywają się w niej rykowiska jeleni, niedźwiedzie, świstaki tatrzańskie i wiele innych gatunków znajduje tutaj warunki do życia.
