保護區地處黃土高原向青藏高原的過渡地帶，地質構造屬阿沁卡金——當蕊五臺隆起帶。地貌為黃土丘陵，切割破碎，多陡坡，懸崖峭壁，溝谷狹窄，呈“V”字型。由于保護區四周群峰突起，削弱了干冷氣流的侵襲，又迎著東南氣流，區內氣候溫和，多雨。年均溫5.4℃。地形相對高差大，致使氣候有暖溫性、溫性和寒性各種特征。年降水量622.7毫米，5～9月降水量占年降水量的89%。
　　區內有五條河溝，由南向北流入黃河。在木場溝中部有天然湖泊——孟達天池，面積近20公頃，平均水深10米，蓄水200～300萬立方米。天池東部有一條南北走向的“天然大壩”，長200多米，高出水面50～70米，壩體為冰川退縮后形成的終磧堤，天池東南部有10米多高，7～8米寬的扇形瀑布，夏日水量充沛，冬季則成冰瀑。
　　孟達的天池比長白山天池和天山山腰的天池小得多。但它有自己的特點。長白山天池周圍是水山筑成的幾乎是寸草不生的幾座山峰，天山的天池外面較遠的地方才有茂盛的雪嶺云杉林，而孟達的天池卻被十分稠密的森林團團的包圍起來，從池邊到山頂，全被森林覆蓋。池水也與眾不同，長白山天池的水最美，有各種各樣的藍色，而且圖案隨著天空中云塊的移動而不斷變化；天山的天池則是一種藍色；孟達天池的水卻是綠色的，幾乎和四周森林的顏色相同。