保护区地处黄土高原向青藏高原的过渡地带，地质构造属阿沁卡金——当蕊五台隆起带。地貌为黄土丘陵，切割破碎，多陡坡，悬崖峭壁，沟谷狭窄，呈“V”字型。由于保护区四周群峰突起，削弱了干冷气流的侵袭，又迎着东南气流，区内气候温和，多雨。年均温5.4℃。地形相对高差大，致使气候有暖温性、温性和寒性各种特征。年降水量622.7毫米，5～9月降水量占年降水量的89%。
区内有五条河沟，由南向北流入黄河。在木场沟中部有天然湖泊——孟达
天池，面积近20公顷，平均水深10米，蓄水200～300万立方米。
天池东部有一条南北走向的“天然大坝”，长200多米，高出水面50～70米，坝体为冰川退缩后形成的终碛堤，天池东南部有10米多高，7～8米宽的扇形瀑布，夏日水量充沛，冬季则成冰瀑。
孟达的天池比
长白山天池和天山山腰的天池小得多。但它有自己的特点。
长白山天池周围是水山筑成的几乎是寸草不生的几座山峰，天山的天池外面较远的地方才有茂盛的雪岭云杉林，而孟达的天池却被十分稠密的森林团团的包围起来，从池边到山顶，全被森林覆盖。池水也与众不同，长白山天池的水最美，有各种各样的蓝色，而且图案随着天空中云块的移动而不断变化；天山的天池则是一种蓝色；孟达天池的水却是绿色的，几乎和四周森林的颜色相同。
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