Тоджинская среднегорная котловина простирается на 250 км в длину при ширине 70 – 100 км. Дно ее повышается с запада на восток с 850 до 2000 м н. у. м. Она обрамлена нагорьями с высотами 2300–2900 м, относящимися к трем горным системам: на юге вздымаются горные цепи хребта Академика Обручева, на западе и северо-западе – Западного Саяна, на северо-востоке и востоке – Восточного Саяна. Одна из высочайших точек Восточного Саяна – пик Топографов (3044 м) – располагается вблизи восточной границы заповедника, проходящей по водоразделу хребта Большой Саян. К водоразделу приурочена самая высокая горная вершина заповедника – 2912 м н.у.м.

Основные контуры рельефа Тоджинской котловины обусловлены новейшими тектоническими движениями земной коры, сопровождавшимися извержениями вулканов. Они преобразованы длительными процессами эрозии и разрушения древних горных оледенений. Законченные формы рельеф приобрел в результате последнего позднеплейстоценового оледенения (около 18 тыс. лет назад), названного Азасским (Гросcвальд, 1965). Огромный по мощности и площади (30 тыс. км²) ледник охватывал центральную и восточную часть котловины с прилегающими хребтами.

Заповедник полностью расположен в районе распространения бывшего покровного оледенения. Все горные поднятия на его территории относятся к системе Бий-Хемского плоскогорья (Обручев, 1955). Высокогорный хребет Улуг-Арга (2200–2400 м), окаймляющий левобережье реки Азас в верхнем течении, делит плоскогорье на две части. К востоку простирается вулканическое плато Сай-Тайга, постепенно переходящее в хребет Большой Саян. Плато питает многочисленные истоки рек Азас, Соруг и Бий-Хем. Над основной поверхностью плато (2000–2300 м) возвышаются столовые горы-вулканы: Шивит – 2769 м, Кок-Хемский – 2701 м, массив Соруг-Чушку-Узю –2517 м. Их склоны обработаны ледником. Ярко выражены кары, троги, горные гребни. В карах обычны озера. Для вулканического плато и хребта Улуг-Арга характерен высокогорный гольцовый тип рельефа с участием альпийских форм. Обращенные к долинам рек склоны имеют резкое ледниково-эрозионное расчленение.

К западу хр.Улуг-Арга понижается и переходит в невысокую (1600-1900 м) гряду Кадыр-Эги-Тайга, являющуюся водоразделом рек Азас и Баш-Хем. Рельеф - среднегорный эрозионный.

Особое место занимает междуречье рек Азаса, Хамсары и Соруга. В верхнем и среднем течении р. Азас оно представляет собой среднегорную грядово-холмистую равнину с высотами 1300–1800 м. Преобладают экзарационные ледниковые формы рельефа: вытянутые вдоль движения ледника гряды, холмы, троговые долины. В понижениях развиты моренные отложения. В нижнем течении р. Азас на междуречье широко распространены ледниково-аккумулятивные образования: зандровые террасы, конечно-моренные гряды, озы, камы и др. Рельеф низкогорный холмисто-моренный с высотами 950–1300 м. Многочисленны озера и верховые болота. Здесь расположены наиболее крупные озера заповедника.

Вся гидрологическая сеть Тоджинской впадины относится к бассейну реки Большой Енисей (Бий-Хем). По территории заповедника протекают две крупные реки: в центральной части - Азас, а по северо-восточной границе - Соруг, являющийся левым притоком р. Хамсара. В южной части заповедника горные речки и ручьи стекают в р. Башхем, огибающую охранную зону. Реки - типично горные, изобилуют прижимами, порогами и водопадами. Их воды так чисты и прозрачны, что можно разглядеть галечниковое дно и стоящего под перекатами хариуса.

На отрогах хребта Большой Саян в заповеднике начинается главный исток Бий-Хема - Кок-Хем. Горный поток из оз. Устю-Кок-Холь стремительно прорывается через очень узкое ущелье. На протяжении одного километра общее падение каскада водопадов составляет около 80 м. Это изумительная по красоте и яркости впечатлений местность. Вода в реке и озерах отливает изумрудно-зеленым цветом (“кок” на местном наречии означает “зеленый”). Вдоль Кок-Хема проходит давняя туристская тропа.

Основная водная артерия – р. Азас – берет начало на горном плато Сай-Тайга и впадает в проточное озеро Азас. Длина реки от слияния истоков до устья – 155 км (Говоров, 1990), перепад высот – 800 м. Из озера вытекает единственная река – Тоора-Хем и несет свои воды до Бий-Хема по долине, естественно продолжающей на запад долину р. Азас.

В верховьях, ниже устья р. Хаактыг-Хем, воды Азаса низвергаются каскадом с высоты 10 м и устремляются в глубокий (30–50 м) и местами сужающийся до 2–3 м скальный каньон. В верхнем течении река быстрая и порожистая. Ниже устья р. Чинге-Хем она распадается на множество проток с островами и заводями, меандрирует как равнинные реки. Её спокойный характер в среднем и нижнем течении нарушают лишь небольшие перекаты, а после впадения р. Мюн – шивера длиной около 15 км. На речных террасах распространены сфагновые болота и болотистые редколесья.

Азас имеет свыше 20 притоков, большинство которых прорезают горные склоны на левобережье. Правые притоки соединяют с рекой крупные озера. Река вскрывается в начале мая, ледостав приходится на конец октября.

На территории заповедника насчитывается 30 крупных и средних озер, а также свыше 100 мелких. Они имеют преимущественно ледниковое происхождение и занимают древние долины стока, вытянутые с запада на восток, по направлению движения ледника. Много каровых озер. Наиболее крупные озера Маны-Холь и Кадыш имеют площадь около 2500 га каждое. Они полностью лежат в пределах заповедника. Озеро Кадыш – тектоническо-ледниковое, его глубина достигает 70 м. Озера вскрываются весной во второй половине мая, ледостав – в конце ноября.

Одно из самых больших и примечательных озер Тоджинской котловины - Азас, или Тоджа (5470 га) – входит в заповедник частично. Оно освобождается ото льда в первой половине мая и покрывается льдом не позднее середины ноября. Летом прибрежные воды прогреваются до 26°С и изобилуют фитопланктоном. В июле заповедная акватория расцвечивается белыми цветками кувшинок. Остальные (из 30 крупных и средних) озера имеют площадь от 100 до 500 га. Многочисленные высокогорные озера с прозрачной снеговой водой очищаются ото льда к середине июля.

На территории заповедника в верховьях р. Биче-Соруг имеется группа холодных минеральных источников углекислотного характера (Пиннекер, 1968). До образования заповедника источники использовались в лечебных целях. Они охотно посещаются копытными.

Климат Тоджинской котловины определяется географическим положением Тувы в центре Азии, удаленном от океанов и морей. Невысокое горное обрамление котловины на западе и северо-западе, местами снижающееся до 1300 м (Амыльский перевал), не препятствует северо-западным ветрам, несущим влажный атлантический воздух. Дополнительное увлажнение создают местные осадки за счет обильных испарений с озер и болот (Ефимцев, 1957). Велико влияние на климат высотных поясов.

Климат котловины резко континентальный, умеренно влажный. Зима исключительно холодная и безветренная. По многолетним данным метеостанции Тоора-Хем, характеризующей низкогорья заповедника, минимальная температура в январе может достигать –54°С. В последние 15 лет она не была ниже – 49°. Средняя суточная температура января равна –28,7°, июля +14,6°. Среднегодовая температура составляет –5,5°. Почвы промерзают на глубину до 1,5-2 м. Лето прохладное, устойчивого перехода минимальных температур выше 10° не наблюдается. Нередки летние заморозки. Продолжительность безморозного периода всего 52 дня. Фоновые минимальные температуры летом 5-9°, максимальные в июне-июле достигают 29-34°.

Сумма среднесуточных температур выше 10° равна 1094°, среднегодовая сумма осадков – 343 мм, 60% которых выпадает летом. Такое сочетание тепла и влаги свойственно экосистемам светлохвойной тайги. Тем не менее, в низкогорье контактируют таежные, подтаежные и степные экосистемы. Их существование во многом зависит от локальных климатических условий, создаваемых экспозицией, крутизной склона и иными факторами. Среднегорье и высокогорье характеризуются смягченной континентальностью и увеличением осадков до 600–800 мм (Ресурсы поверхностных вод СССР, 1973).

В течение года преобладают ветры северо-западного направления. Наибольшей силы ветры достигают в весеннее время. Метели зимой или грозовые шквалы летом – явление редкое.

Фенологическая зима в низкогорье наступает в конце октября, в начале ноября устанавливается постоянный снежный покров. Высота снега в январе-феврале достигает 25–30 см, в среднегорье – до 80 см и выше, в высокогорье – более 100 см. Устойчивый снежный покров сохраняется в среднем 162 дня и разрушается в конце марта вскоре после начала весны. Снеготаяние заканчивается к середине апреля, в среднегорье – к концу мая. В высокогорье, где и в разгаре лета снежники соседствуют с цветущими лужайками, оно растягивается до середины июля.

Вегетация в фоновых низкогорных ландшафтах начинается 20–25 апреля. В середине мая на этапе зеленой весны лес покрывается нежной зеленью. Завершающий этап весны -предлетье - очень красочен; в конце мая зацветает черемуха по долинам рек, цветёт большинство ягодников. Именно в это время очень вероятны заморозки до –5°, снижающие будущий урожай.

Лето короткое, не превышает двух месяцев. Его признак – зацветание шиповника во второй половине июня, а уже в середине августа лес пестрит желтыми прядями берез, знаменуя начало осени. К концу первой декады сентября полностью расцвечиваются листопадные деревья и кустарники, завершая облик золотой осени. С середины сентября суточные температуры становятся ниже +5°, происходят регулярные заморозки, быстро желтеет лиственница, формируя глубокоосенний пейзаж. За 20–30 дней до начала зимы, с окончанием опадения хвои лиственницы, таежный фон становится серым при почти полном безмолвии.

В высокогорье весна и лето очень сжаты, фон летних минимальных температур не превышает +3°. Заморозки вероятны в любое время. Вегетация наступает в середине июня, а уже в первой декаде августа желтеют карликовые березки и увядают горные луга, обозначая приближение осени.

На территории заповедника четко выделяются два основных вертикальных пояса: лесной и высокогорный. В низкогорье фрагментарно выражен степной пояс. Лесные площади занимают 73%, горные тундры и гольцовые россыпи – 16%. Остальное – болота, луга, степи, водоёмы.

Почвенный покров заповедника изучен слабо. В высокогорном поясе преобладают горно-тундровые дерново-перегнойные и торфянисто-перегнойные почвы. Широко распространены примитивные почвы (Носин, 1963). Достаточно представлены разные формы горно-луговых почв.

В верхней части лесного пояса наиболее распространены разновидности горно-таежных перегнойных кислых и торфянисто-подзолистых почв, развивающихся под чернично-зеленомошной кедровой тайгой и подгольцовыми редколесьями.

В средней полосе формируются горно-таежные дерново-слабоподзолистые и торфянисто-перегнойные почвы под бруснично-зеленомошной кедровой и лиственничной тайгой.

В нижней части пояса, где в травяном покрове появляются злаки и богатое разнотравье, более характерны разновидности горных дерновых почв. Под березово-лиственничными лесами встречаются также серые лесные и лугово-черноземные почвы.

На всём высотном интервале лесного пояса в понижениях, нижних частях северных склонов, озёрных и речных террасах, долинах ручьев очень часты таежно-мерзлотные торфянисто-перегнойные глеевые и торфяные болотные почвы. В условиях лугово-степной растительности обычны разновидности горных черноземов и лугово-черноземных почв.