Долину реки Оки, глубоко врезанную в каменноугольные трещиноватые известняки, ученые считают древней: она, по-видимому, сформировалась до наступления покровного оледенения на Восточно-Европейскую равнину. Следы днепровского ледника видны в долине Оки — это остатки морены на склонах коренного берега и высоких террас. Заповедная территория постепенно, сглаженными уступами, понижается от коренного склона к реке Оке. Среди крупных форм рельефа хорошо видна первая надпойменная терраса. Она сложена известняками, а над ними залегают пески. Такое геологическое строение террасы определило образование на ее поверхности песчаных валов и понижений между ними, а также многочисленных карстовых воррнок.

Южный край первой надпойменной террасы уступом спускается к пойме,

которая узкой полосой протягивается на юге заповедника и заходит «заливами» между песчаными валами в первую надпойменную террасу. Эти «заливы» получили название долы.

Высокие террасы более древние. Они также имеют известняковое основание и пески, но перекрыты мощными суглинками. Поэтому их уступы уже сглажены и слабо выражены в рельефе. Очень интересны и загадочны песчаные валы длиной 2—3 км, высотой 10—15 м. Они простираются по пойме и надпойменным террасам, образуя дугу с выпуклостью к востоку. Как они образовались? По-видимому, в их создании участвовали вода и ветер.

Лето в заповеднике теплое, со средней температурой июля + 18°С, а максимальной до +39°С. Зима умеренно холодная: средняя температура января — 10,2°С, но морозы могут достигать —40°С. Снег выпадает с середины октября, а к середине апреля исчезает. Снег оказывает большое влияние на жизнь растений и особенно животных. Среднегодовое количество осадков около 580 мм, но испаряемость меньше, поэтому вся территория заповедника с достаточным увлажнением. Ранней весной почва пропитана влагой, реки наполняются талой и дождевой водой и несут свои воды в разлившуюся по пойме Оку. В озерах уровень воды тоже поднимается, а карстовые воронки превращаются в мелкие временные водоемы. Болота набухают от влаги и становятся непроходимыми. Все кругом оживает: воздух заметно прогревается, прилетают птицы и устраивают свои гнезда, начинают расцветать первые цветы.