Главный водоем заповедника — несравнимое по красоте горное озеро Сары-Челек, расположенное на высоте 2000 м над уровнем моря. Считают, что озеро образовалось в результате обвально-оползневой деятельности. Протяженность его 7,2 км, глубина — 240 м, площадь — 507 га. Особую прелесть водоему придают отвесные скалы, спускающиеся прямо в прозрачные воды озера и, как в зеркале, отражающиеся на его поверхности. В озеро впадает много мелких речек, а вытекает только одна — Сары-Челек. На территории заповедника находятся еще шесть небольших и неглубоких озер с пологими берегами: Кыла-Коль, Ира-Коль и др.

Основная река заповедника в своем верхнем течении носит название Кеч-киль. После слияния ее с рекой Сары-Челек она получает название Ходжа-Ата. Русло ее извилистое, с массой валунов, берега круты, часто отвесны. Течение бурное, скорость достигает 12 м/с. На реке много мелких водопадов и порогов.

Почвы заповедника меняются по мере поднятия вверх. Горно-лесные черно-коричневые почвы под пологом орехово-плодовых лесов на южных склонах Атойнокского и Чаткальского хребтов постепенно сменяются бурыми горно-лесными, сосредоточенными под массивами еловых лесов.

Растительность заповедника богата и разнообразна. Всего насчитывают более 1000 видов растений. В распределении растительности ярко выражена высотная поясность. Леса заповедника представляют собой большую научную и эстетическую ценность. Основная господствующая порода — грецкий орех — произрастает отдельными массивами. Орехово-плодовые леса — главное богатство заповедника — по площади занимают 1/3 территории. Основные массивы расположены в бассейне реки Карасу и ее притоков, а также вокруг озера Сары-Челек. Эти леса — остатки третичной флоры — сохранились в результате благоприятных климатических условий (значительного количества осадков в теплый период, мягкой многоснежной зимы). Плоды грецкого ореха отличаются высоким качеством и содержат до 60% масла.

В кустарниковом ярусе орехово-плодовых лесов можно встретить жимолость, алычу, бересклет, абелию, экзохорду, миндаль. Этим лесам присущ довольно густой и мощный травостой с преобладанием местной флоры.