Nordby Bakker er et stort randmorænelandskab på det nordlige Samsø, der strækker sig langs kysten fra Mårup Havn i sydvest til Issehoved i nord og Kragemose i nordøst. De to bakkerygge, som tilsammen danner bakkepartiet, blev skabt under sidste istid af hhv. Nordøstisen og Bælthavisen og i dag fremstår det som et storslået, kløftfuret bakkeland. På strækningen langs nordøens vestkyst kulminerer bakkelandet i Samsøs højeste punkt, Ballebjerg, 64 m.o.h. Samsøs karakteristiske overdrev som kanter det meste af øen, når deres største udbredelse i Nordby Bakker.
Landskabet er tæt forbundet med Nordby, hvis bønder udnyttede det bakkede landskab til græsning. Med udflytningen blev der etableret levende hegn, og dele af jorderne blev tilplantet, men overordnet set bevarede det åbne landskab sit særpræg, og i dag fremstår Nordby Bakker som et stort, sammenhængende overdrev med spredte krat.
På overdrevene er der fundet ca. 200 forskellige plantearter, heriblandt hulkravet kodriver, håret viol og gul evighedsblomst samt mere sjældne arter som bakkegøgelilje, seglblad, hjorterod og liden sneglebælg. De mange blomsterplanter tiltrækker dagsommerfugle som rødplettet blåfugl, okkergul pletvinge, markperlemorsommerfugl og sortåret hvidvinge samt forskellige vilde bier som guldbuksebien, der blev genfundet i Nordby Bakker i 2018 efter ikke at have været set i Danmark siden 1937. Dertil kommer et stort antal insekter og andre smådyr, som er knyttet til efterladenskaberne fra overdrevenes græssere. På de varme sandflader kan man i sommerhalvåret se markfirbenene sole sig, mens man på lune forårsnætter kan høre den grønbrogede tudses fløjtende kvækken fra bakkernes små vandhuller.
Nordby Bakker blev fredet ad flere omgange mellem 1936 og 1980, så det fredede areal i dag udgør 480 ha. Derudover er Nordby Bakker udpeget som habitatområde. Naturstyrelsen ejer ca. 280 ha af bakkerne, mens resten af området er privatejet. For at bevare de lysåbne overdrev græsses området af kvæg og får.
»Et mylder af blomster er strøet over disse fattige bakker«, skriver Achton Friis om Nordby Bakker i De Danskes Øer fra 1926‑28. Nordby Bakker har formentlig været græssede, siden Nordby opstod som en fortelandsby i vikingetiden, og den lange græsningskontinuitet forklarer, hvorfor det kuperede landskab også i dag dækkes af mangfoldige, blomsterrige overdrev. Overdrevene trues dog af tilgroning, og for at bevare den særlige naturtype har Naturstyrelsen og lodsejerne opretholdt græsningen med kvæg og får.
