กิจกรรมเดินป่าศึกษาธรรมชาติ นับว่าเป็นกิจกรรมหลักของการท่องเที่ยวในอุทยานแห่งชาติน้ำหนาว เนื่องจากทางอุทยานแห่งชาติได้จัดให้มีเส้นทางศึกษาธรรมชาติไว้รองรับผู้ที่มาท่องเที่ยวจำนวน 4 เส้นทาง โดยทั้งหมดนี้มีจุดเริ่มต้นที่เดียวกัน ได้แก่ เส้นทางศึกษาธรรมชาติเส้นที่ 1 เส้นทางศึกษาธรรมชาติของระบบนิเวศป่าเขตร้อน (ศูนย์บริการฯ – ห้วยหญ้าเครือ) ระยะทางประมาณ 1,000 เมตร เป็นวงรอบกลับมาที่เดิม ระหว่างทางสามารถศึกษาระบบนิเวศป่าเขตร้อน ป่าสน ต้นน้ำลำธารและสัตว์ป่า ซึ่งทางอุทยานแห่งชาติน้ำหนาวได้จัดทำป้ายสื่อความหมายไว้แล้ว เส้นทางศึกษาธรรมชาติเส้นที่ 2 เส้นทางศึกษาความหลากหลายทางชีวภาพ (ศูนย์บริการฯ – ดงมะไฟ – ทุ่งนาน้อย) ระยะทางประมาณ 3 กิโลเมตร เป็นวงรอบกลับมาที่เดิมเป็นเส้นทางที่เหมาะสมสำหรับนักท่องเที่ยวสามารถพบเห็นนกและผีเสื้อชนิดต่าง ๆ ได้ จุดเด่นของเส้นทางศึกษาความหลากหลายทางชีวภาพระยะทางประมาณ 3 กิโลเมตร คือต้นจำปีศรีเมืองไทย เส้นทางศึกษาธรรมชาติเส้นที่ 3 เส้นทางศึกษาความหลากหลายของระบบนิเวศ (ศูนย์บริการฯ – ชมวิว –ทุ่งนาน้อย) ระยะทางประมาณ 4.5 กิโลเมตร เป็นวงรอบกลับมาที่เดิม เป็นเส้นทางที่ผ่านจุดชมวิวที่สวยงาม และป่าไผ่ข้าวหลามที่ขึ้นเป็นบริเวณกว้าง ระหว่างทางสามารถพบสัตว์ป่า เช่น หมาป่า และนกชนิดต่าง ๆ โดยเฉพาะฤดูฝนอาจจะพบช้างป่าและดอกกล้วยไม้ดินหลากหลายชนิดเหมาะสำหรับนักท่องเที่ยวที่ชอบเดินป่าชมธรรมชาติ เส้นทางศึกษาธรรมชาติเส้นที่ 4 เส้นทางศึกษาความหลากหลายของระบบนิเวศ (ศูนย์บริการฯ – ดงมะไฟ – ชมวิว –ทุ่งนาน้อย) ระยะทางประมาณ 5.8 กิโลเมตร เป็นวงรอบกลับมาที่เดิม เป็นเส้นทางที่ผ่านจุดชมวิวที่สวยงาม เหมาะสำหรับนักท่องเที่ยวที่ชอบเดินป่าชมธรรมชาติ ระหว่างทางสามารถพบสัตว์ป่า เช่น หมาป่า และนกชนิดต่าง ๆ โดยเฉพาะฤดูฝนอาจจะพบช้างได้