Вокруг заповедника установлена охранная зона площадью 66 100 га, что в 5 раз больше площади самого заповедника. Режим охранной зоны запрещает охоту, рыбную ловлю, вносит дополнительные ограничения для лесного хозяйства и в целом соответствует режиму комплексного заказника. Задача этой зоны состоит в том, чтобы смягчить влияние хозяйственной деятельности на заповедные природные комплексы. Это особенно важно для крупных млекопитающих, которым для обитания требуется большая территория. Новые ограничения режима рубок в охранной зоне введены 30 декабря 1983 г. для всего бассейна Сулёмского водохранилища. Это тем более важно, что из притоков р. Сулём только р. Медвежка целиком «умещается» в заповеднике. Остальные реки начинаются за его пределами, и их бассейны до последнего времени служили лесосырьевыми базами леспромхозов.
В пределах охранной зоны выделены памятники природы: «Старик-Камень», «Камешек», «Кедровник на р. Нотихе», «Первобытный лес у дер. Большие Галашки», «Обнажения на р. Сулём», «Болото Шайтанское». Готовятся материалы по открытию новых памятников: «Журавлиное болото», «Гора Малиновая».
Рубкам не подлежат также 200-метровая опушечная полоса вокруг заповедника, 200-метровая водоохранная зона вдоль рек Сакалья, Бушаш, Пахомиха, Кобылья, Расья, Шайтанка, 500-метровая - вдоль р. Сулём, а также глухариные тока.
Таким образом в ряду: заповедник - охранная зона - окружающие территории - просматривается естественное зонирование, где первобытные пихто-ельники сменяются заповедными лесами разной степени производности, далее следуют зарастающие и относительно свежие вырубки охранной зоны, еще далее - сельскохозяйственные территории, поселки и города с промышленными предприятиями свободной зоны.
Схема эта вполне типична для индустриального Среднего Урала и может использоваться для организации комплексных исследований по влиянию хозяйственной деятельности на природу этого региона, аналогично тому, как это делается в биосферных заповедниках.
Как показали специальные исследования (Лукьянец и др.), заповедник, несмотря на близость крупных заводов Кировграда и Верхнего Тагила, находится вне зоны прямого влияния промышленных газовых выбросов, что, по мнению Б.П. Колесникова (1979), делает его пригодным для организации службы мониторинговых эталонных наблюдений.
В 2001 г. заповедник получил статус биосферного резервата.
По строению поверхности и составу горных пород территория современного заповедника делится на три части: западную (Сулёмскую), центральную (Кулигскую) и восточную (Сутукскую).
Холмисто-увалистый рельеф западной части заповедника благодаря широкому развитию древних сланцев (Висимская свита) характеризуется небольшими высотами – 350 – 400 м над уровнем моря, относительно пологими склонам гор и вершинами мягких, округлых очертаний. Глубина вреза долины р. Сулем – главной реки заповедника, обычно не превышает 60 – 70 м. В этой части заповедника выходы коренных пород на поверхность сравнительно редки, горы покрыты лесом, в русле Сулема лишь местами встречаются небольшие перекаты.
В центральной части заповедника – Кулигской – западные предгорья становятся выше, достигая в вершине горы Кулиги 473 м. По речным долинам и склонам Кулиги наблюдаются небольшие выходы коренных пород. Значительная твердость горных пород, слагающих Кулигский массив, не позволила р. Сулем расчленить его: достигнув Кулиги, водный поток «вынужден» был обогнуть гору с востока и севера, образовав широкую и длинную излучину.
Еще более возвышается и приобретает черты типично горного рельефа заповедник в своей восточной части, где высоты достигают 550 – 650 м, а глубина вреза р. Сулем 100 – 150 м. Основу рельефа этой части составляют горы Липовый Сутук (480 м), Малый Сутук (550 м), Больщой Сутук (659 м) и гора Малиновая (635 м). Все они венчают водораздельный хребет этой части Среднего Урала. Это одно из наиболее живописных мест заповедника.
Все горы этой части заповедника сложены кристаллическими интрузивными породами основной и кислой магмы и отличаются большой стойкостью к процессам выветривания.
Древнее оледенение не захватило территории заповедника, но относительная его близость привела к выработке особых форм гольцового рельефа – нагорных террас и каменных потоков – курумов. В настоящее время эти каменные россыпи почти везде поросли лесом, в периоды же оледенений леса высоко в горы не поднимались и энергичные процессы морозного выветривания сильно разрушали вершины гор, лишенных леса.
Гидросеть заповедника хорошо развита - на каждый квадратный километр его территории приходится 630 м водотоков. Сулём - основная река заповедника. Сулём, правый приток р. Чусовой, весьма живописная горная река. Рядом коротких истоков начинается она в самой высокой, восточной части заповедника. Основные притоки Сулема: справа - реки Расья, Каменка, Кустоватка, слева - Медвежка, Сакалья, Верхняя Кутья. Лишь Медвежка рождается в пределах заповедника, начинаясь в первобытных пихто-ельниках. У д. Сулем находится ее устье. Площадь водосбора реки около 600 кв.км, половина его приходится на территорию заповедника. Длина реки 87 км, из них около 35 км река протекает по заповеднику. Здесь она имеет дикий таежный вид: берега заросли густым ельником, ольхой, черемухой, ивняком, многие деревья нависли над рекой и отражаются в ней как в зеркале: вода в Сулеме прозрачная, холодная, приятна на вкус. Ширина русла незначительна – 10 – 30 м, часты перекаты. Падение реки на разных участках составляет 1-8 м на 1 км. Расход воды у д. Бол. Галашки на выходе реки из заповедника составляет в среднем 2,7 м3/с. Из общего стока 73% приходится на весну, 23% - на лето и осень, 4% - на зиму. Сток хорошо зарегулирован. В весенний паводок продолжительностью 7-10 дней уровень, как правило, не поднимается выше 1,5-2 м, что связано с общей высокой влагоемкостью почв.
Озер и верховых болот нет, есть старичные болота низинного типа. В долинах довольно широко распространены заболоченные и болотные леса, играющие важную водорегулирующую роль.
Сулём замерзает в конце октября, а в верхнем течении под снегом местами не замерзает вовсе. Вскрывается в конце апреля. Летом вода прогревается до 15-17°, в верховьях - до 8-10°. Вода чистая, прозрачная, карбонатного типа, слабо минерализована.
Территория заповедника была увеличена в 1973 г. на 3767 га для сохранения и изучения массивов первобытных пихто-ельников в верховьях р. Сулём и участка водораздельного кряжа. Позднее, в интересах водоснабжения г. Кировграда значительная площадь территории заповедника была передана под зону затопления Сулёмского водохранилища. Площадь водохранилища равна 430 га, из них 360 га находится на территории заповедника. Переданная площадь была занята преимущественно мелкотравными, хвощовыми и заболоченными пихто-ельниками, аконитово-высокотравными березняками. Одновременно заповедник принял из Невьянского лесхоза в порядке компенсации 400 га преимущественно коренных, хорошо сохранившихся папоротниково-высокотравных пихто-ельников. Научную ценность представляют заросли черемухи, черной ольхи и осинник.
Климат умеренно континентальный в западной части и более суровый – более прохладный и влажный (гумидный) – в восточной, что связано с большими высотами Уральских гор. Особенность местного климата – стойкие зимние и даже летние температурные инверсии – нарушение нормального хода температур. Обычно при поднятии в горы температуры падают на каждые 100 м на 0,5. В заповеднике же температуры повышаются в среднем на каждые 100 м на 1 – 2, на западе и востоке на 2 – 4. Температурные инверсии почти всегда зависят от расчлененного рельефа: по понижениям, в межгрядовых лощинах, накапливается холодный плотный воздух, а выше по склонам гор – воздух более теплый.
Следствием температурных инверсий явилась и значительная пестрота почвенно-растительного покрова по горным склонам. Например, пихтово-еловые леса с липой приурочены к высотам 450 – 550 м, где относительно тепло и выпадает наибольшее количество осадков. В среднем за год выпадает 60 – 70 мм осадков на каждые 100 м поднятия. Именно здесь расположены неморальные и субнеморальные леса с присущими им травянистыми реликтовыми растениями и липой в подлеске, аналогичные черневым лесам Салаира, Кузнецкого Алатау и Алтая.
Не менее 180 дней держится в заповеднике снежный покров. Высота снегового покрова в заповеднике в феврале - начале марта достигает 80-100 см, а на г. Бол. Сутук - до 1,5 м. Снежный покров зимой предохраняет почвы от промерзания, дает приют животным; в весенний период снеготаяние увеличивает сток рек, пополняет запасы воды в почвах.
В целом по заповеднику среднегодовая температура равна – 0,1, средняя январская – 16,7, средняя июльская 16,6. Абсолютный минимум отмечен в декабре – 50, абсолютный максимум в июле 37, годовая сумма осадков около 500 мм. Преобладающие ветры западные и юго-западные. Зима продолжительная, снежная. Лето короткое, достаточно влажное, нежаркое.
Флора заповедника в видовом отношении достаточно богата, она насчитывает около 400 видов высших сосудистых растений. Особенного богата флора луговых сообществ. Хотя луга занимают только 3,3% площади заповедника. Разнообразна флора темнохвойных лесов – около 160 видов, причем почти все эти виды свойственный восточной части заповедника, где на площади в 1500 га сохранились первобытная тайга. Во флоре заповедника много эндемиков (качим уральский, ветреница уральская и др.) и реликтов (например, копытень европейский, ясменник душистый, воронец черноплодный). Эти реликты чужды типичной темнохвойной тайге, они служат подтверждением тех огромных преобразований в растительном покрове, которые произошли в Евразии в четвертичное время.