Территорию заповедника с северо-запада на юго-восток пересекает извилистая дуга основного водораздела. Он состоит из переходящих один в другой хребтов: Листвяжного, Центрального и Кайдынского. Самый южный из них - Кайдынский - простирается в юго-восточном направлении на 11км. Его высоты превышают 700м (наивысшая точка - 832м над ур.м.) Этот хребет представляет собой типичный участок выровненной поверхности древнего пенеплена, его северовосточный склон опускается к р. Базаиха покатыми лесистыми склонами, рассеченными на ряд второстепенных блоков. Южный склон хребта крут, сильно эродирован, изрезан узкими долинами многочисленных ручьев и притоков р. Мана, берег которой местами обрывистый, с выходами скальных пород.
Севернее Кайдынского хребта лежит Центральный (Абатакский) хребет. Его слабо вытянутая к югу дуга простирается на 16 км с запада на восток через центральные районы заповедника. Высоты хребта колеблются от 600 до 700 м. На восточной его оконечности возвышается гора Абатак (803 м над ур.м.). Средняя часть хребта представлена обширными, плоскими, сильно заболоченными плато. На восточной оконечности он расчленен узкими долинами речек с крутыми склонами. Основной водораздел заканчивается на севере Листвяжным хребтом, протянувшимся к югу на 12 км. Его высоты не превышают 700 м, склоны значительно изрезаны многочисленными ручьями. На водораздельном пространстве часто встречаются небольшие скалы и узкие (до 1 - 2 м) гребешки, сложенные интрузивными породами. На окраинных его частях возвышаются крупнейшие скальные массивы, известные под названиями «Второй столб», «Крепость» и «Развалы». Особо выделяется рельеф так называемого Столбинского надгорья и отходящих от него узких грив: Каштачной, Такмаковской и хребта Откликного. Это район сиенитовой интрузии высотой 600 - 700 м, сильно расчлененный ручьями и речками. Кроме того, рельеф усложнен повсеместными выходами древних сиенитовых скал.
Территория заповедника несет хорошо развитую гидрографическую сеть общей протяженностью более 300 км. Она группируется в четыре различных по площади водосборных бассейна pp. Маны, Базаихи, Большой Слизневой и собственно Енисея.
Климатические условия. Многолетние данные метеостанции Столбы (536 м над ур.м.) характеризуют климат темнохвойной тайги как более холодный, влажный и менее континентальный, чем степной климат в районе Красноярска (годовые амплитуды 33,8° и 37,3° С). Среднегодовая температура в горной тайге заповедника - 1 - 2°С, что на 2,1° холоднее, чем в Красноярской лесостепи. Наиболее холодный месяц года - январь (среднемесячная температура - 17,6°С), самый жаркий - июль (средняя температура +16,2°С).
За время существования заповедника зарегистрированы абсолютный максимум +31,6° и абсолютный минимум - 44,9С°. В среднем за год отмечается 147 дней без мороза, в отдельные годы - 138 - 162. Средняя дата первого заморозка -17 сентября, последнего - 29 мая. В отдельные годы первые заморозки наступают уже с 28 августа или лишь с 9 октября, а последние - в период с 19 мая по 12 июня. Длительность вегетационного периода, когда среднесуточная температура воздуха больше или равна +5°С, составляет 138 дней.
В течение года в горно-таежном поясе заповедника выпадает 686 мм осадков. Большая их часть приходится на зиму - 31,3%, на лето - 27%, на весну - 22,7%. Меньше всего осадков выпадает осенью -19%. Устойчивый снежный покров держится в среднем 124 дня; его средняя мощность 94 см, максимум приходится на конец марта. На формирование снежного покрова большое влияние оказывают преобладающие в заповеднике южные ветры (77%). Сильно пересеченный рельеф определяет мозаичную картину залегания и таяния снега. Даже в начале июля можно видеть снег, лежащий между скал.
Основу почвенного покрова заповедника составляют горнолесные дерново-подзолистые почвы (86% от площади заповедника), приуроченные к поясу горной темнохвойной тайги (500 -800 м над ур.м.). Горно-лесные серые почвы развиты под лиственно-светлохвойными лесами (200 - 500 м), занимая 8% площади заповедника. Другие типы почв встречаются отдельными фрагментами в обоих поясах. Все типы почв заповедника имеют общие особенности: малую мощность, щебнистость или хрящеватость, слабую дифференцированность профилей на генетические горизонты, слабое развитие грунтово-застойного заболачивания, а также отсутствие засоления. Абсолютное большинство почв имеет тяжелосуглинистый и легкосуглинистый характер.
Растительный покров. На территории заповедника степная растительность Красноярской котловины сменяется лесной. Четко выражена вертикальная зональность растительности. Леса разделяются на два высотных пояса - пояс сосново-лиственничных разнотравных лесов (на высоте 200 - 500 м над ур.м.) и пояс горной темнохвойной тайги (на высоте 500 - 700 м). На маломощных щебнистых почвах темнохвойная тайга сменяется сосняками-черничниками и сосняками-брусничниками.
Главная лесообразующая порода темнохвойной тайги - пихта, она пришла здесь на смену лиственнице, о бывшем господстве которой свидетельствует наличие редких перестойных деревьев в верхнем ярусе пихтовых лесов. В настоящее время пихтовые леса покрывают весь горный район заповедника от вершин до подножий хребтов, лишь в долинах ручьев и рек пихта делит свое господство с елью, а в нарушенных насаждениях уступает место осине. Наиболее широкое распространение в этом районе имеют пихтачи кислично-зеленомошные и пихтачи осочковые, занимающие склоны всех экспозиций за исключением крутых южных. Последние, имея маломощные слабоподзолистые горно-лесные почвы, заняты сосняками брусничными и сосняками мохово-лишайниковыми. Подрост в этих лесных насаждениях представлен пихтой со значительной примесью кедра.
Долины речек и ручьев с аллювиальными почвами почти повсеместно заняты елово-пихтовой тайгой. В местах нарушения древесного полога старыми рубками или пожарищами в его состав вклинивается осина; в лесу преобладает крупнотравье.
Растительность участка, расположенного в непосредственной близости от города, значительно изменена вырубками и многократными пожарами. Большая часть сосняков черничных превращена в сосняки злаково-черничные с участием берёзы, а местами в березняки. Отдельные участки пихтачей зеленомошных превращены в пихтачи крупнотравные и даже в осинники крупнотравные с обильным пихтовым подростом.
Периферийная часть заповедника, относящаяся к нижнему поясу светлохвойно-лиственных вторичных лесов, имеет мелко расчлененный увалисто-низкогорный рельеф с высотами 250-500 м. Лесообразующими породами являются сосна и лиственница, которые на участках бывших сплошных рубок сменены берёзой и осиной.
Район предгорный не является абсолютно лесным. Здесь развит и травяной тип растительности. Встречаются лесные поляны, участки степей и лугов; на крутых южных склонах лесная растительность уступает место степной.
Флора сосудистых растений заповедника насчитывает 762 вида. На территории заповедника распространено около 150 видов растений, подлежащих особой охране. Среди них неморальные реликты: незабудка Крылова, кривокучник сибирский, вудсия серцевидная, щитовник мужской, волчье лыко. Другая группа редких видов - реликты ледникового времени: фиалка двуцветковая, минуарция весенняя, лапчатка снежная, герань белоцветковая, патриния сибирская. В охране также нуждаются эндемики Алтае-Саянской области: чина Фролова, незабудочник гребенчатый, ветреница енисейская, тимьян монгольский, селезеночник тонкий. К охраняемым видам относятся эндемики приенисейских степей: остролодочник шишковидный, незабудочник енисейский, тонконог Тони, мятлик Крылова, овсяница сибирская. В Красную книгу РФ включены: башмачки настоящий и крупноцветковый, ятрышник шлемоносный, гнездо цветка клобучковая.
Во флоре заповедника отмечено более 400 видов, имеющих хозяйственное значение: лекарственные (264), кормовые (115), медоносные (142), декоративные (182) растения.
Животный мир. Фауна наземных позвоночных животных насчитывает 266 видов. Из них земноводных - 4 вида, пресмыкающихся - 5, млекопитающих - 58 и птиц -199 видов. В Красную книгу РФ (2001) занесено 9 видов, обитающих на территории заповедника: черный аист, скопа, беркут, могильник, большой подорлик, балобан, сапсан, филин, серый сорокопут.
Почти половина видов млекопитающих принадлежит отряду грызунов. К этой группе относятся лесные полевки, бурундуки и белка. Зайцеобразные представлены зайцем беляком и пищухой. Из хищных млекопитающих обитают волк, лисица, рысь, росомаха, соболь, бурый медведь. К отряду парнокопытных относятся марал, лось, косуля и кабарга.
Ихтиофауна наиболее полно представлена в крупной р. Мана. Здесь обитают 22 вида рыб, из которых речная минога, стерлядь, сиг, тугун, язь и карась встречаются крайне редко. Для таёжных речек с быстрым течением и каменистым руслом характерен мелкий хариус. В р. Базаиха обнаружено 10 видов рыб.
Из птиц наиболее обычны синицы, пеночки, трясогузки, дрозды, дятлы, клесты, поползень, снегири, чечевицы, щур, горихвостка, кукушки. Из легко узнаваемых птиц можно встретить большую горлицу, галку, сороку, ворону черную, сойку, кукшу, кедровку, ворона. Из отряда куриных наиболее обычен рябчик, значительно реже встречаются глухарь и тетерев. Разнообразны хищные птицы: ястреб-тетеревятник, ястреб-перепелятник, сапсан, чеглок, балобан, скопа, дербник, пустельга, кобчик. Из сов чаще встречаются неясыти: длиннохвостая и бородатая, ушастая и ястребиная сова, филин.
В заповеднике отмечено около 400 видов насекомых. Из 117 видов дневных бабочек интересны представители семейства парусников, здесь встречаются четыре вида этого семейства: махаон, аполлон помион, аполлон делиус и аполлон Штуббендорфа. Лишь однажды была встречена в заповеднике голубянка Киана.