Территория заповедника Костомукшский расположена в пределах Балтийского кристаллического щита, на восточном склоне Западно-Карельской возвышенности.
Заповедник находится в атлантико-арктической климатической области умеренного пояса (Алисов, 1956). Продолжительность светового дня в течение летних месяцев (июнь — июль) составляет в среднем 21 час, период белых ночей продолжается более двух месяцев.
Зима относительно мягкая, лето короткое и прохладное. Продолжительность безморозного периода — 183 дня, среднегодовая температура воздуха 0,5°. Средняя температура самого теплого месяца — июля +15°, января и февраля —12°, хотя иногда бывают морозы до —50°. Среднее количество осадков составляет 535 мм, в том числе зимой выпадает 143 мм, весной — 59, летом — 224 и осенью — 109 мм. Большое количество осадков зимой приводит к образованию мощного снежного покрова: на открытых местах — 50-80 см, в лесу — 60-90 см.
Осенью и зимой преобладают западные и юго-западные ветры, весной и летом — юго-западные и северо-восточные. Максимальная скорость ветра — до 25 м/с.
Преобладающим типом рельефа является денудационно-тектонический, для которого характерны приподнятые массивы, разделенные линейными понижениями. Коренные породы (гнейсо-граниты, гнейсо-гранодиориты) на повышениях рельефа частично перекрываются тонким слоем четвертичных отложений, а местами выходят на поверхность, образуя скальные комплексы. Понижения между приподнятыми массивами кристаллических пород приурочены к древним разломам. В этих понижениях находятся заболоченные низины, озерные котловины и долины рек.
На значительной части территории развит рельеф ледниковой и водно-ледниковой аккумуляции. Моренный покров на водоразделах имеет небольшую мощность (0,5-4 м). В пределах заповедника понижения рельефа заняты моренными равнинами.
Из-за малой мощности моренного покрова характер поверхности этих равнин определяется неровностями коренного ложа.
Водно-ледниковые формы рельефа представлены долиной р. Каменной — крупной древней долиной стока талых ледниковых вод и аккумулятивной водно-ледниковой системой (пересекающей территорию заповедника в направлении Бабья Губа — Нильма-губа), которая представляет собой сочетание озовых гряд и конусов выноса.
Почвенный покров в заповеднике характеризуется сложной мозаичной структурой, что связано с сильной расчлененностью рельефа, слабой дренированностью части территории, разнообразием почвообразующих пород.
Основные типы почв в заповеднике — подзолистые, болотно-подзолистые и болотные. Подзолистые почвы представлены иллювиально-гумусово-железистыми подзолами, которые приурочены к моренным песчаным и супесчаным отложениям. Здесь преобладают хвойные леса зеленомошной группы. Широко распространены и подзолы иллювиально-железистые, развивающиеся на флювиогляциальных и озерных песках под сосняками лишайниковыми. Неглубокие понижения с затрудненным стоком, окрайки болот заняты болотно-подзолистыми почвами. Для этих почв характерны мощная лесная подстилка или торфянистый горизонт мощностью 10-20 см, подзолистый горизонт (10-20 см), ниже которого залегают иллювиально-гумусовый или глеевый горизонт. В условиях неблагоприятного водно-воздушного режима и недостатка минерального питания на этих почвах растут низкобонитетные елово-сосновые типы леса долгомошной группы.
Гидроморфные почвы представлены в заповеднике торфяно-глеевыми и торфяными (верхового, переходного и низинного типов).
В местах выхода на дневную поверхность кристаллических пород встречаются слаборазвитые почвы на маломощных отложениях. К ним приурочены редкостойные и низкобонитетные лишайниково-каменистые сосняки. Под луговыми сообществами распространены подзолисто-глеевые или дерново-подзолисто-глеевые почвы, иногда они оторфованы.
Гидрологическая сеть заповедника включает многочисленные озера, реки, ручьи и болота.
Наиболее крупное на территории заповедника озеро — Каменное, типичный олиготрофный водоем. Площадь его — 95,5 км2 (20% площади заповедника). Оно относится к бассейну Белого моря и находится вблизи Беломорско-Балтийского водораздела. Озеро очень живописно, на нем 98 островов общей площадью около 1000 га, береговая линия сильно изрезана, ее протяженность — 193 км. Вода озера мало минерализована, с нейтральной реакцией, прозрачностью в среднем 3,8 м (3,5-5,0 м). Водообмен в озере замедленный. Средняя глубина озера — 8 м, в северной части она достигает местами 20-26 м, в южной — 15 м. Вода оз. Каменного используется для водоснабжения г. Костомукши. Второе по величине, Минозеро, занимает 1,5 тыс. га. Остальные озера небольшие и занимают меж-сельговые котловины: Сяркиярви (49 га), Утиное (38 га) и др. Всего в пределах заповедника около 200 крупных и мелких озер (ламб).
Единственная река заповедника — Каменная, длиной 25 км, вытекает из оз. Каменного и впадает в оз. Лувозеро. Река служит одним из основных нерестилищ популяции озерных лососей, обитающих в оз. Каменном, поэтому нуждается в охране.

© Белоусова Н.А., Данилов П.И., Зимин В.Б., Коршунов Г.Т., Кузнецов О.Л. Костомукшский заповедник. // Заповедники СССР. Заповедники европейской части РСФСР. I. - М., Мысль, 1988. с. 90-100