Физико-географическое положение и характеристика территории
Заповедник располагается на юго-западе Приволжской возвышенности, в пределах главного водораздела между Волгой и Доном. Его общая площадь в настоящее время составляет 8 368 га. Вокруг территории заповедника выделена охранная (буферная) зона с ограниченным режимом хозяйственного использования. Заповедник является кластерным и состоит из пяти удаленных друг от друга участков, наибольшее расстояние между которыми - около 230 км. Они расположены в шести районах Пензенской области: Кузнецком, Камешкирском, Неверкинском, Пензенском, Каменском и Колышлейском. Самый западный из участков находится у истоков р. Хопра (приток Дона), самый восточный - у истоков р. Суры (приток Волги). Благодаря подобному географическому положению в заповеднике представлен широкий спектр природных условий, характерных для лесостепной зоны Среднего Поволжья.

Климатические условия
Климат на данной территории умеренно-континентальный, с теплым летом и умеренно холодной зимой. Сезоны хорошо выражены. Зима наступает в третьей декаде ноября и длится более четырех месяцев. Среднемесячная температура января в районе западных участков заповедника (г. Пенза) равна -12,10 С, восточных (г. Кузнецк) -13,30 С. Вторжение арктических ветров изредка приводит к резкому снижению температуры до -400 С (абсолютный минимум в г. Пенза наблюдался в январе и был равен - 43,30 С). Снежный покров устанавливается в конце ноября, а его разрушение происходит в первой декаде апреля. Продолжительность безморозного периода 128-130 дней. Лето длится в среднем 95-100 дней. Среднемесячная температура июля в районе г. Пензы + 19,80 С, а в районе г. Кузнецка +19,20 С. Абсолютный максимум в июле +380 С. Среднегодовое количество осадков в районе г. Пензы 666 мм, в г. Кузнецке - 627 мм.

Рельеф и почвы
Территория заповедника расположена в пределах крупного Волго-Донского водораздела, разделяющего бессточную область Центральной Азии и бассейн Черного моря, относящегося к системе Атлантического океана. Два участка находятся в пределах окраины днепровского оледенения (Островцовская лесостепь и Попереченская степь), три - во внеледниковой зоне (Кунчеровская лесостепь, Борок и Верховья Суры). Особенностями водораздельных форм рельефа являются следы древней речной сети, озерные котловины и различные заболоченные понижения.

Заметная выраженность различных форм рельефа придает ландшафтам заповедника особую живописность.
В соответствии с почвенно-географическим районированием Русской равнины Пензенская область относится к центральной и степной области серых лесных, черноземных и каштановых почв суббореального пояса. Часть территории расположена в зоне серых лесных почв, оподзоленных, выщелоченных и типичных черноземов лесостепи.

Почвы - одно из главных богатств заповедника, определяющих его природоохранное значение. Заповедные участки характеризуются большим разнообразием и пестротой почвенного покрова. В лесах преобладают серые лесные почвы, а в степях - различные подтипы черноземов. На двух степных участках, Попереченском и Островцовском, развиты мощные черноземы с толщиной гумусного горизонта 80, а местами и 100 см. Эти почвы предложены специалистами для внесения в Красную Книгу почв России как эталонные для луговых степей.