Климат
По климатическим показателям северная и южная части парка, значительно удаленные друг от друга, существенно различаются. Южная часть, прилегающая к оз. Водлозеро, характеризуется более благоприятными природными условиями, типичными для большей части среднетаежной подзоны Карелии. Северная часть, расположенная в Архангельской области, примыкает к крупной кристаллической возвышенности “Ветреный Пояс” и находится уже в пределах северной тайги с относительно суровыми климатическими условиями.
В целом климат района характерен для западной части южной тайги, умеренно-континентальный. Средняя температура января -12°С (абсолютный минимум — -45°С). Средняя температура июля +16°C (абсолютный максимум +36°С). Безморозный период длится около 100 дней. Среднегодовое количество осадков 550-600 мм, распределены они в течение года равномерно. Преобладают ветры северо-восточного и восточного направления.
Геология и рельеф
Рельеф парка слабо расчленен. Почти на всей его территории относительное превышение составляет в среднем 20 м. Отдельные возвышенности имеют округлую форму, с широкой вершиной и пологими выпуклыми склонами. Только в северной части парка, в районе кряжа Ветреный Пояс, относительное превышение достигает 65 м. В среднем и частично нижнем течении р. Илексы находится холмистая юго-восточная часть Тунгудо-Выгозерской денудационной равнины. Южная часть водосбора, прилегающая непосредственно к оз.Водлозеро, сохраняет в основном равнинный характер.
Существует несколько участков, расположенных в пределах парка или непосредственно примыкающих к нему и представляющих большой интерес для геологического научного туризма: реликты раннеархейских образований и многофазных гранитоидных комплексов; позднеархейские структуры Сумозерско-Кенозерского зеленокаменного пояса; центральные вулканические постройки раннего протерозоя; эродированные и выведенные на земную поверхность магматические камеры раннего протерозоя; коматиитовые базальты рифтогенной структуры Ветреного Пояса раннего протерозоя; титано-магнетитовые руды раннего протерозоя.
Гидрография
На территории парка находятся два крупных гидрологических объекта — озеро Водлозеро и река Илекса, главный приток Водлозера, — образующие в сочетании с многочисленными озерами, малыми реками и ручьями в пределах их водосборных бассейнов единую озерно-речную систему. Бассейн оз. Водлозеро является составной частью бассейна Онежского озера и расположен в его восточной части. Водосбор Водлозерского водохранилища занимает площадь 5209 км2, из которых 76% приходятся на водосбор р. Илексы.
Р.Илекса берет начало на южном склоне кряжа Ветреный Пояс в районе г.Горелой. Река течет в неглубокой, слабо разработанной долине. Гидрографическая сеть бассейна насчитывает 212 рек и ручьев, большая часть которых имеет длину менее 10 км. Крупными же притоками Илексы являются реки Олова, Ухта, Чус-река, Тугунда и Ельга.
Более 10% территории национального парка занято пресноводными проточными озерами. Самый крупный и наиболее изученный водоем парка — оз. Водлозеро, имеющее площадь водной поверхности 334 км2 и глубину до 16,3 м. Это один из крупнейших и высокопродуктивных водоемов Республики Карелия. Особой достопримечательностью ихтиофауны водоема является снеток и подкаменщик — вид, внесенный в Красную книгу России. Кроме того, здесь обитают сиговые рыбы: сиг и ряпушка. У Водлозера существует двойной сток (явление крайне редкое в озерной системе) — р. Вама и р. Сухая Водла, впадающая в Онежское озеро. Здесь обитает знаменитый водлинский лосось. После Водлозера наиболее крупными водоемами парка являются озера, расположенные в бассейне реки Илекса: Монастырское (25,9 км2), Нельмозеро (14,4 км2), Лузское (12,1 км2). Озера мелководные, средняя глубина составляет 0,5-2,5 м.
Особенностью территории национального парка является сильная ее заболоченность — более 40%. Болота чрезвычайно разнообразны по типологии, растительному покрову и структуре, многие из них представляют интерес для науки. В архангельской части преобладают верховые болота, в карельской части почти равное соотношение переходных и верховых болот. Площадь низинных болот очень мала.
Почвы
На территории парка формирование почв связано в основном с подзолистым и болотным почвообразовательными процессами. Подзолистые почвы на суглинках и подзолы на песках характерны для положительных элементов рельефа — вершин и склонов, гряд и холмов. В отрицательных формах рельефа почвообразование протекает по болотному типу и приводит к развитию торфяно-глеевых почв или торфяников — верховых и переходных. Почвообразующими породами парка являются моренные суглинистые и двучленные отложения (пески и супеси, подстилаемые суглинками и глинами), а также водно-ледниковые и древнеаллювиальные пески.

© Справочник "Национальные парки России". Москва: Изд-во Центра охраны дикой природы, 1996 г.