Заповедник расположен в центре Западного Саяна и Алтае-Саянской горной страны в целом. В него входит часть осевого Саянского хребта, восточные отроги Кантегирского и северные склоны Хемчикского хребтов. Саянский хребет пролегает в северо-восточном направлении по центру заповедной территории. Его острые вершины имеют высоту 2400–2600 м, самая высокая достигает 2772. К северу и особенно к югу происходит постепенное снижение высот, составляющих на Хемчикском хребте 2100–2200 м. Таким образом, осевая линия Саянского хребта делит заповедник на две части: северную и южную, резко различные по климатическим условиям.

Горы сложены в основном хлоритовыми сланцами с отдельными интрузиями гранитов. В четвертичное время здесь прошло два оледенения. В межледниковую эпоху, в период интенсивного таяния льдов, образовалась современная гидросеть. Тысячелетиями врезавшиеся русла создали резко расчлененный рельеф. Второе оледенение было горно-долинным и сыграло большую роль в формировании рельефа высокогорий.

В осевой части Саянского хребта преобладают альпийские формы: острые пикообразные вершины, узкие гребни водоразделов, цирки и кары, имеющие крутые, часто отвесные стенки, уходящие вниз на сотни метров. В долинах рек на высотах 1500–1800 м хорошо сохранились остатки морен – отложений ледника. К югу от осевой части Саянского хребта, а также на Хемчикском хребте альпийские формы рельефа переходят в сглаженные, плавные линии водоразделов. Вершины гор плоские, склоны крутые (30-40°).

Аллювиальный рельеф представлен фрагментами речных террас. В узких долинах горных рек, имеющих крутой уклон, формируются в основном поймы и первые надпойменные террасы. Аллювиальные наносы, сложенные валунным материалом, чередуются с прижимами - обрывистыми стенками склонов.

Речная сеть заповедника довольно густая и разветвленная. Основной артерией является Енисей, имеющий на всем пересечении Западного Саяна узкую, с крутыми склонами долину. В ней к 1988 г. сформировано Саянское водохранилище. Уровень воды в пределах заповедника поднялся более чем на 100 м, что оказало большое влияние на биоценозы.

Наиболее крупные притоки Енисея – реки Голая в северной части заповедника и Большие Уры на юге. Длина каждой из них 60-70 км. Другие реки (с севера на юг): Таловка, Каракем, Мадара, Сарла, Керема, Шигнота, Узунсук, Малые Уры, Хемтерек, Иргар, Чалбанмыс, Колбакмыс. Длина этих речек небольшая – 10-20 км, начало свое они берут в высокогорьях на Саянском хребте, нередко из каровых и моренно-подпрудных озер. Питание рек смешанное: весной от таяния снегов, летом от атмосферных осадков и таяния мерзлоты. Много безымянных ручьев – притоков этих рек.

В верховьях реки Катаныг, притока р. Большие Уры, находится минеральный источник Аржан, считающийся у местного населения священным. Вода имеет запах сероводорода и специфический вкус.

Климатические условия заповедника очень неоднородны, расположение Саянского хребта на пути основного переноса воздушных масс определяет обилие осадков в наветренной части макросклона и резкое снижение их количества на подветренной стороне. По Саянскому хребту проходит граница между областями переноса атлантических и арктических воздушных масс с одной стороны и центральноазиатской областью – с другой.

Северный макросклон является более увлажненным, среднегодовое количество осадков составляет здесь 1000-1500 мм. На южном макросклоне количество осадков резко уменьшается и составляет около 400 мм в год (в степной зоне заповедника). В горах северного макросклона зимой скапливается много снега (мощность снежного покрова более 1,5 м), в степях южного макросклона высота снежного покрова не превышает 30 см. Среднегодовая температура воздуха в степях –2° С (метеостанция Усть-Уса), а в подгольцовых редколесьях северного макросклона –3,9°С (метеостанция Оленья Речка). В степной зоне абсолютный минимум выражен резче (–50°С), чем в подгольцовых редколесьях (–4°С). Все это свидетельствует об усилении континентальности в южной части заповедника.

В степном поясе заповедника формируются преимущественно темно-каштановые почвы; в степях, обогащенных разнотравьем, - черноземы.

В лесах южного макросклона доминируют буроземы, вместе с ними встречаются дерновые и дерновые карбонатные почвы. В лесах таежного типа преобладают дерновые гумусовые оподзоленные и подзолистые почвы. В верхней части лесного пояса, в основном в кедровниках, формируются торфянисто-перегнойные мерзлотные почвы.

В высокогорном поясе в дриадовых, типчаковых и лишайниковых тундрах распространены дерновые гумусовые почвы. По теневым склонам, под ерниками и кустарничково-моховыми тундровыми сообществами преобладают подбуры. Здесь могут также встречаться криоземы, подзолистые, мерзлотные перегнойные и торфянисто-перегнойные почвы. Луговые участки высокогорного пояса занимают почвы дернового типа.

© В.А. Стахеев, А.Е. Сонникова, Б.П. Завацкий, Т.И. Житлухина, А.Г. Рассолов, В.Б. Куваев, Е.Е. Сыроечковский, Ф.Р. Штильмарк, 1999 г.