Район заповедника входит в Атлантико-Континентальную европейскую климатическую область умеренного пояса.

Находясь на пути западного переноса воздушных масс, хребет Басеги, как и Урал в целом, несмотря на сравнительно небольшую высоту, значительно сдерживает распространение атлантического воздуха на восток. Климат заповедника характеризуется континентальностью, в чем существенную роль играет арктический воздух, вторгающийся сюда чаще всего весной. Холодный воздух с Карского моря отличается малой влажностью, массы атлантического воздуха, напротив, богаты влагой (до 700-800 мм в год). В заповеднике относительно теплое лето: средняя температура июля 13,3°. Средняя температура января —17,9°, в некоторые годы самым холодным месяцем оказывается февраль.

Осадков значительно больше, чем в равнинной части Пермской области, при очень больших колебаниях в разные сезоны: среднегодовое количество осадков — от 496 мм (1976 г.) до 1071 мм (1978 г.). На западных склонах выпадает осадков на 25—130 мм больше, чем на восточных. Половина осадков приходится на снег. Дожди бывают в основном в сентябре и июне, на западном склоне значительная часть — в августе. Минимум осадков выпадает в феврале и декабре. Летом в горах часты грозы. Для района заповедника характерны частые летние туманы, которые иногда держатся по нескольку суток.

Продолжительность безморозного периода — 80-90 дней. Устойчивый снежный покров образуется обычно в 3-й декаде октября и держится в среднем до 3-й декады апреля, т. е. около 180 дней. Средняя глубина снежного покрова — 115-120 см на западных склонах и почти на 30 см меньше — на восточных. В долинах глубина снежного покрова может достигать 1,5 и даже 2 м, а на вершинах не превышает 50-70 см.

В зимние месяцы преобладают ветры западного и юго-западного направлений, их средняя скорость довольно высока — от 4,1 до 5 м/с, она заметно возрастает в горах, особенно выше границы леса. Летом кроме западных и юго-западных ветров часты северо-западные.

Территория заповедника относится к Койво-Усьвинскому физико-географическому району Среднеуральской физико-географической горной области. Монолитный в отдаленные геологические эпохи хребет сейчас состоит из трех отдельных массивов (Южного, Среднего и Северного Басегов), разделенных глубокими ложбинами. В основном Басеги образованы очень устойчивыми нижнепалеозойскими и протерозойскими кварцитами, выходящими на поверхность, в меньшей степени — гранитами и диабазами. Здесь обнаружены выходы кварцевых жил (изредка находят даже друзы горного хрусталя). На высотах 700-800 м н.у.м. хорошо выражено террасирование, приводящее к образованию «каменных рек» (узкие языки каменистых россыпей, спускающиеся вниз по склонам) и «каменных морей». На склонах многочисленны нагорные террасы, значительная часть которых поросла лесом. Нижние террасы — реликтовые, а верхние — новейшего происхождения.

Отдельные горные цепи, вытянутые с севера на юг, складываются из гряд, сопок, увалов с обнаженными вершинами, часто острыми, гребневидными. Большие гряды, отдельные горы и осыпи разделяются ложбинами. Крутые каменистые склоны покрыты беспорядочными нагромождениями камней и глыб диаметром от 0,5 до 1 м, а иногда и до 3,5 м. На вершинах выходы горных пород разрушены и имеют причудливые формы. Ледник в свое время не достиг хребта Басеги, и в связи с этим здесь преобладали процессы гольцовой денудации, которая раздробила горные хребты на множество изолированных сопок. В настоящее время главными рельефообразующими процессами являются деятельность текучих вод, а также гравитационное перемещение продуктов выветривания. Речные долины на территории заповедника разработаны слабо в связи с твердостью подстилающих горных пород, но впадины между водоразделами значительны по ширине. Сами водоразделы тоже широки, сильно и глубоко расчленены густой сетью узких речных долин.

На территории заповедника протекают 11 небольших рек, ширина их — от 3 до 10 м. Все они типично горные, со значительным уклоном русл, большой скоростью течения (от 3 до 5 и даже 8 м/с). Стекающие с западного склона хребта реки Большая Порожняя, Малый и Большой Басег, Лялим текут строго на запад, впадая в р. Усьву. Реки Порожняя и Хариусная текут с юга на север и также являются притоками Усьвы. Река Коростелев ка с многочисленными притоками берет начало в межгорной котловине к востоку от хребта, течет с севера на юг и впадает в р. Вильву. Весеннее половодье, начинаясь 25—30 апреля, обычно длится около 40 дней и, как правило, проходит не одной волной, а с 4-5 подъемами воды. В период мощных ливневых дождей в середине и в конце лета речки снова вздуваются, почти достигая уровня весеннего половодья.

Самые крупные реки заповедника — Усьва и Вильва. Наибольшая ширина первой из них — 92 м, глубина — от 30 см (на перекатах) до 2,2 м. Уровень воды может колебаться по годам и сезонам очень значительно, амплитуда достигает 1,5 м. Сначала р. Усьва течет на восток, затем на север, на трети пути поворачивает на запад и, обогнув хребет Басеги, устремляется на юго-запад и впадает в р. Чусовую. Начало ледостава на Усьве приходится на период от 20 октября до 24 ноября. Лед держится от 175 до 218 дней. Толщина его колеблется от 6 до 78 см. Ледоход длится в среднем 6 дней. Воды реки богаты кислородом и не загрязнены.

Вильва берет начало на западном склоне Уральского хребта, в 50 км восточнее заповедника. Длина ее около 170 км. Наибольшая ширина реки — 84 м, глубина колеблется от 60 см до 2,2 м. При этом в период весеннего половодья уровень воды поднимается на 4 м, а его колебания по годам и сезонам составляют от 1,5 до 4 м. Ледовые явления на Вильве характеризуются более поздними (на 2-3 дня) по сравнению с Усьвой сроками начала ледостава и более ранним (на 5-6 дней) ледоходом, поэтому ледяной покров на Вильве держится почти на 10 дней меньше, чем на Усьве. Дно обеих рек песчано-гравийное, часты порожистые перекаты, усеянные обломочным материалом.

В реки впадает довольно много ручьев и ключей, иные из них совсем коротки — около 2 м. Ключи приурочены к ложбинам, но иногда встречаются и на возвышенностях, вызывая заболачивание. Почвы горных районов Западного Урала изучены слабо. Территория заповедника относится к зоне подзолистых суглинисто-каменистых почв западного склона Урала.

Горно-тундровые почвы приурочены к одноименному горно-тундровому поясу. Они формируются на маломощном (12-25 см) элювиальном мелкоземе, под кустарничково-моховыми и кустарничковыми горно-тундровыми сообществами. Распространен этот тип почв на Среднем Басеге и частично на Северном Басеге. Особенность горно-тундровых почв — сильная оторфованность. Ясного разделения на генетические горизонты нет. На участках развития почв этого типа часто встречаются каменистые россыпи.

Дерновые горно-луговые почвы характерны для субальпийских лугов. Развиваются они на мелкоземе мощностью 15—50 см. Почвы менее кислые, чем горно-тундровые, с большим содержанием азота, по механическому составу суглинистые или тяжелосуглинистые.

Горные дерновые лесные почвы характерны для субальпийского криволесья. По механическому составу они глинистые и суглинистые, развиваются на щебнистом элювии. Для этих почв характерна слабая оподзоленность.

Горные лесные подзолистые супесчаные почвы развиты под чернично-зеленомошными пихтово-еловыми лесами верхней части пологих и покатых склонов.

Горные лесные бурые почвы выявлены в средних частях пологих и покатых склонов под елово-пихтовыми крупнопапоротниковыми лесами. Почвы эти тяжелосуглинистые или глинистые.

Торфянисто-подзолисто-глеевые почвы развиты на слабонаклонных равнинах под пихтово-еловыми хвощово-сфагновыми лесами. В поверхностных горизонтах выражено оглеение. Эти почвы развиваются иа слабокаменистых и щебнистых суглинках и глинах.

Торфянисто-перегнойные почвы приурочены к понижениям на межгорных равнинах, занятым приручьевыми крупнотравными ельниками и березняками. Почвы глинисты, подвержены интенсивному оглеению.Мало- и среднемощные торфяно-перегнойные почвы низменных болот встречаются на выровненных межгорных понижениях под березняками вейниково-сфагновыми.