Долина Оки в районе г. Серпухова и восточнее его, где река течет в широтном направлении, служит естественным рубежом между подзонами хвойно-широколиственных и широколиственных лесов. Заповедник расположен в северном подрайоне подзоны широколиственных лесов, у его южной границы (Алехин, 1947).
Южное Подмосковье входит в атлантико-континентальную климатическую область.
Среднегодовая температура воздуха 3,5°. Средняя температура воздуха наиболее холодного месяца (января) –10,6°, наиболее теплого (июля) 17,7°. Абсолютная минимальная температура –43,3°, абсолютная максимальная 37,8°. Последние заморозки нередки и в первые дни июня, поэтому средняя продолжительность безморозного периода здесь всего 117 дней – значительно короче, чем на западе Серпуховского района. Годовая сумма осадков – 750 мм, наиболее дождливые месяцы – июль и август; самая большая высота снежного покрова – в первой декаде марта. Снежный покров устанавливается чаще в начале декабря, сходит в середине апреля.
Заповедник занимает пологий южный склон окской долины высотой от 120 до 180 м над ур. моря. В заповеднике представлены фрагменты верхней поймы Оки, все левобережные надпойменные террасы долины Оки и водораздельная территория. В основе всех семи террас и террасовидных ступеней, выделенных на левобережье Оки, лежат коренные породы каменноугольного возраста, преимущественно известняки, перекрытые днепровской мореной и одетые мощным покровом аллювиально-флювиогляциальных песков. На нижних террасах песчаный слой достигает четырех и более метров, к северу сходит на нет.
На территории заповедника выделяют три основных типа ландшафта: нижних террас, верхних террас (центральная часть заповедника) и плакор-ной водораздельной территории на северной окраине заповедника. Для первого типа характерен бугристо-дюнный рельеф. Небольшие озерки здесь связаны с понижениями вдоль песчаных валов и карстовыми провалами. Песчаные гряды поросли сосняками, и только на юго-востоке заповедника, где ближе к поверхности подходят известняки и рельеф сглажен, господствуют широколиственные леса (дубняки и липняки) и сложные сосняки. Ландшафт верхних террас, пересеченных долинами речек, отличается слегка волнистым рельефом и неглубокой овражной сетью. Значительные площади верхних террас заболочены. Водораздельная территория имеет более сглаженный рельеф, негустую сеть ручьев и оврагов, местами заболочена, но меньше, чем центральная часть заповедника.
Эти ландшафтные особенности типичны для левобережья Оки в ее широтно ориентированном участке.
Своеобразие форм рельефа нижних надпойменных террас – песчаные бугры и подковообразные валы, перекрывающие террасы и обращенные выпуклостью по течению реки, – связывают с деятельностью потоков талых вод и ветра. Вблизи южной границы заповедника такими буграми окаймлены участки верхней поймы Оки – Долы, периодически заливаемые весенним половодьем и известные как место произрастания южных степных растений.
С севера на юг заповедник пересекают две небольшие речки: Таденка, приток Оки, длиной около 9-10 км и шириной до 4 м, и Пониковка, длина которой около 6 км, ширина русла до 1,5 м. Таденка берет начало севернее заповедника, имеет выраженную, покрытую сочной травой пойму. Истоки Пониковки находятся в центре заповедника. Обе речки питаются ключами с чистой, прозрачной водой, в изобилии встречающимися в северовосточной и особенно в центральной части заповедника. Пониковка не доходит до Оки, теряясь в болотце карстового происхождения за южной границей заповедника. На левобережных террасах Оки много карстовых депрессий, в заповеднике их несколько сот, и некоторые заполнены водой. Около карстовых воронок и по их склонам растут дубы и мощные липы.
Водоемов в заповеднике мало, и все они невелики по площади. Два из них покрупнее заполняются ежегодно талыми, дождевыми и грунтовыми водами. Эти неглубокие впадины, расположенные у подошвы песчаных валов в южной части заповедника, постепенно зарастают водной растительностью.
Почвенный покров заповедника в связи со сложностью рельефа разнообразен. Преобладают дерново-подзолистые почвы трех групп (Фридланд, 1955). Значительные площади занимают оглеенные разновидности дерново-подзолистых почв. Боровые пески находятся на мощных толщах песков, слагающих валы нижних террас и окской поймы. Дерново-слабоподзолистые почвы развиты на аллювиальных и водно-ледниковых песках меньшей мощности, а дерново-среднеподзолистые занимают преимущественно участки, подстилаемые мореной.

© Л.В. Заблоцкая. Приокско-Террасный заповедник. // Заповедники СССР. Заповедники Европейской части РСФСР. II. - М., Мысль, 1989. с. 30-51