Рельеф Хехцира еще более ста лет назад охарактеризовал известный натуралист и путешественник Р.К. Маак (1861), назвавший этот горный массив “интересным во всех отношениях”. Он писал: “За исключением некоторых скалистых обнажений, находящихся вблизи устья Чирку, хребет гор, который носит название Хехцыр, имеет склоны отлогие, незаметно восходящие к вершине и покрытые мешанным лесом, между тем как на гребнях этих гор снова появляются зубчатые скалистые обнажения” (1861, с. 45).

Среди всех островных гор среднего течения Амура Хехцир выделяется наибольшей высотой (до 950 м над ур. моря) и тем, что он представляет самостоятельный антиклинорий, т.е. складчатую структуру, изгибом обращенную вверх, с выходом на поверхность более древних слоев в центральной части. Хехцирский антиклинорий сложен сильно дислоцированными верхнепалеозойскими кремнистыми сланцами и мезозойскими глинистыми сланцами, песчаниками и конгломератами. Отмечены здесь и кварцевые диориты (Никольская, 1958).

Рельеф заповедника по преимуществу горный, однако здесь имеются и равнинные участки – плоские, слаборасчлененные поверхности древнеозерных террас. Они лежат на абсолютных высотах от 35 до 100 м, в среднем 40–50 м над ур. моря. Для равнинных участков характерны длительносезонная мерзлота и переувлажненность; основной тип ландшафта – маревый. Предгорья Хехцира – холмисто-увалистые. Средние высоты – 80–150 м, отдельные холмы достигают 200–250 м н.у.м. Расчлененность рельефа средняя, густота речной сети – 0,6 км/км². Ширина долин – от нескольких десятков до нескольких сот метров; их плоские днища переувлажнены. На большей части заповедника преобладает средневысотный горный рельеф с мягкими, сглаженными очертаниями. От осевого хребта, вытянутого в широтном направлении, на север и юг отходят отроги высотой 300–500 м над ур. моря. Густота речной сети здесь достигает 0,8 км/км². Гребни водоразделов местами узки и каменисты, встречаются отвесные скальные уступы. Эти формы рельефа связаны обычно с выходами кварцевых порфиров.

Все реки заповедника принадлежат бассейнам Уссури и Амура. Самая крупная река – Чирка имеет в длину 82 км и течет, чрезвычайно сильно петляя, вдоль подножия Хехцира с востока на запад. Длина большинства рек, стекающих с хребта (Одыр, Цыпа, Белая, Быковая, Пилка), составляет всего 8–17 км. Реки мелководные, в верхнем течении имеют типично горный характер, в нижнем – равнинный, с низкими, часто заболоченными берегами и многочисленными меандрами. Есть несколько старичных озер – Нимфейное, Сюрприз, Бразениевое. Весенние паводки не выражены, наводнения обычны летом, в период выпадания муссонных дождей.

По климатическому районированию Дальнего Востока Г. Н. Витвицкого (1969), территория заповедника относится к Амуро-Уссурийскому климатическому району, который входит в Тихоокеанскую муссонную область умеренной зоны. Климат в целом характеризуется как летне-теплый (сумма температур за вегетационный период 2500°С) и влажный (индекс сухости 0,45–1,00) с умеренно суровой малоснежной зимой. Климатические показатели в разных частях заповедника в зависимости от высоты над уровнем моря, экспозиции, крутизны и протяженности горных склонов, ветрового режима и температурных инверсий различаются между собой. Наиболее благоприятны климатические условия в предгорной местности и в среднем горном поясе до высоты 400–500 м н.у.м. Здесь средняя годовая температура 1,4°, продолжительность безморозного периода –150-160 дней, вегетационного – 140–-150. Средняя температура января – 1-18°, июля 19-20°. Сумма положительных температур за вегетацию 2400–2500°. Общая годовая сумма осадков – 600-700 мм.

В верхнем горном поясе (выше 600 м над ур. моря), где распространены пихтово-еловые и каменно-березовые леса, климат более суров и контрастен. Средняя годовая температура воздуха –3,2°, средняя температура января –20–23°, июля 14–16°, продолжительность безморозного периода – 110–120 дней, вегетационного –90–100. Сумма положительных температур за вегетацию 1300–1400°. Годовая сумма осадков – 900–1000 мм. Так же суровы местные климатические условия и на равнинных участках, где безморозный период почти на месяц короче, чем в предгорьях и в среднем поясе гор. На участках маревого ландшафта под заболоченными лиственничниками и сырыми закочкаренными вейниково-осоковыми лугами имеется длительносезонная мерзлота.

Под низинными и переходными болотами с лиственницей развиты торфяно-глеевые почвы. Мощность торфяного горизонта в них достигает 0,5 м и более. На плоских, пониженных участках долин рек отмечены задернованные иловато-глеевые почвы. Эти почвы сильно переувлажнены и имеют грубозадернованный верхний горизонт мощностью до 5–7 см (Васильев, 1979). Ниже залегает темно-серый перегнойный горизонт мощностью 15–20 см, переходящий в глинистый глеевый. Подстилаются эти почвы хорошо окатанной галькой. Грунтовые воды отмечаются на глубине 40 – 50 см. В период муссонных дождей низинные участки иногда на продолжительный срок покрываются слоем воды. Задернованные иловато-глеевые почвы имеют слабокислую реакцию среды, в нижних горизонтах даже близкую к нейтральной, содержат большое количество гумуса и богаты азотом и подвижными соединениями фосфора. Потенциальное плодородие этих почв высокое. К подобным местообитаниям приурочены заболоченные лесные сообщества из ольхи пушистой, лиственницы Гмелина и ясеня маньчжурского.

Под дубовыми и березово-осиновыми лесами на релках развиты бурые, в различной степени оглеенные почвы. Для этих почв характерен сильно задернованный гумусовый горизонт мощностью 10–15 см, который сменяется несколько осветленным элювиальным горизонтом мощностью 30–40 см. Под кедрово-широколиственными и широколиственными лесами на горных склонах и в предгорьях развиты бурые горно-лесные почвы. Они наиболее характерны для местообитаний с хорошим дренажем. Имеющийся на поверхности этих почв свежий опад почти полностью минерализуется в течение вегетационного периода.

К пихтово-еловым лесам верхнего пояса гор приурочены буро-таежные иллювиально-гумусовые почвы. Толщина слоя полуразложившейся лесной подстилки составляет 3–5 см. Гумусовый горизонт рыхлый и содержит большое количество свежих и полуразложившихся растительных остатков, его мощность – 10–12 см. Ниже залегает рыхлый коричневатый иллювиальный горизонт. У этих почв сильнокислая реакция среды и высокая емкость обмена. В гумусовом горизонте происходит накопление поглощенных оснований кальция, магния, а также натрия, титана, фосфора и марганца. В иллювиальном горизонте отмечено высокое содержание подвижных форм железа и алюминия. Для буро-таежных иллювиально-гумусовых почв характерно грибное разложение растительных остатков. Довольно часто наблюдается большое количество грибов в виде грибницы и нитей мицелия по всему почвенному профилю.

В верхнем поясе гор под каменноберезниками развиты лугово-лесные почвы. Характерная их особенность – грубогумусовый горизонт, достигающий мощности 20–25 см и содержащий большое количество средне- и слаборазложившихся растительных остатков. Реакция среды слабокислая, близкая к нейтральной. В нижней части почвенного профиля часто встречаются темные гумусированные линзы, прослойки и гумусовые затеки по морозобойным трещинам, достигающие глубины 40–50 см.