Природно-климатическая зона и физико-географические условия: Заилийский Алатау является крайней северной цепью системы Тянь-Шаня и вместе с хребтом Кунгей Алатау образует Северный Тянь-Шань. С севера хребет Заилийский Алатау ограничен Илийской впадиной, представляющей широкий тектонический прогиб, на юге он отделен узкими долинами рек Чилик и Большой Кемин от хребта Кунгей Алатау, с которым соединяется в центральной своей части образуя Чилико-Кеменский или Талгарский горный узел. На западе Заилийский Алатау после перевала Кастек переходит в систему Кендыктасских возвышенностей, на востоке заканчивается системой невысоких гряд после пересечения с рекой Чилик. Основная часть заповедной территории расположена на северном склоне Заилийского Алатау. Западная граница территории проходит по реке Левый Талгар, северная – по реке Правый Талгар, а восточная – по гребню высокого отрога, разделяющего долины рек Есик и Тургень. Протяженность границы заповедника  с запада на восток по прямой более 32 км. Остальная территория заповедника проходит вблизи перевала Тогузак и через ледник Богатырь, верхнему течению реки Чилик до отрога между речками Косбулак-2 и Тамчи. Вместе соседними хребтами Кетмень, Кунгей – Алатау, Киргизским, Таласским и другими, Заилийский Алатау относится к провинции Северный Тянь-Шань.

Геология: Заилийский Алатау в геологическом отношения представляет собой мощное молодое поднятие, нарушенное крупными продольными разрывами. Среди слагающих хребет пород доминируют преимущественно крупно- и среднезернистые биотитовые, реже аляскитовые граниты. В восточной части хребта кроме гранитов часто встречаются эффективные породы нижнего карбона-порфиры, порфириты и другие. Северные предгорья Заилийского Алатау сложены рыхлыми песчано-конгломератовыми неогеновыми и четвертичными отложениями, перекрытыми сверху породами четвертичного возраста.

Современный комплекс четвертичных отложений представлен рыхлыми накоплениями ледникового, аллювиального, пролювиально-делювиального происхождения, продуктами нагромождения обвалов и элювиально-почвенными образованиями. Они развиты повсеместно в виде валунно-галечных, щебнистых и песчано-глинистых накоплений.

Рельеф: Территория заповедника характеризуется сложным горным рельефом. Общий северный уклон представлен несколькими отрогами хребта Заилийского Алатау, являющихся водоразделом горных рек. Часть территории госзаповедника переходит на южный склон хребта, который круче северного, но менее расчленен. Основные ущелья –Левый Талгар, Правый Талгар, Средний Талгар, Есик, Жангырык, по которым протекают реки с теми же названиями. Основная господствующая вершина хребта – пик Талгар  (4978,8 м в. у. м.), кроме того, имеется много вершин с высотами более 4000 м.

Основной орографический  рисунок северной части заповедника создают Талгарский массив и три отходящих от него отрога скалистыми гребнями и ледниками. И массив, и отроги имеют типичный гляциально-нивальный рельеф.

В Центральной части госзаповедника расположена зона современного оледенения, где ледники и вечные снега занимают 21% общей его площади. Здесь сосредоточены крупнейшие ледники Северного Тянь-Шаня: ледник Корженевского и Богатырь.

Южная часть заповедника отличается преобладанием гляциально-нивальных форм рельефа, особенно  в бассейнах рек Юго-восточный Талгар, Жангырык и Есик. Именно здесь расположены ледники Богатырь и Корженевского. Далее к востоку склоны расчленяются короткими (5-7 км) поперечными долинами и скалистыми отрогами, отходящими от главного гребня.  

Климат: Изменение климата, как и во всех горных системах Тянь-Шаня здесь подчинено закону вертикальной поясности. Основные черты его – значительная солнечная радиация и сложный сезонный характер атмосферной инсоляции. Например, в среднегорной зоне климат в целом умеренно-континентальный. В высокогорной зоне климат резко-континентальный, холодный. А   в гляциально-нивальной зоне, в царстве ледников, климат наиболее суровый, близкий к арктическому.

            Продолжительность холодного периода на предгорной равнине составляет более 4-х месяцев, на высоте 1300-1400 метров  - 3,5 , а на высоте 3000 метров – более 7 месяцев.

Атмосферные осадки распределяются неравномерно по сезоном года. В весенне-летний период выпадает примерно 70% осадков, остальные 30% - в осенне-зимний.  Среднее годовое количество осадков – 843 мм.

Устойчивый снежный покров в среднегорной зоне госзаповедника образуется во второй половине ноября месяца, а в высокогорной – в конце октября. Средняя относительная влажность воздуха – 57%. Ветры в горох имеют различную силу и направление. Среднегодовая скорость ветра составляет 2 м/сек. Но резкие порывы ветров часто вызывают ветровалы и буреломы.

Гидрология: сеннее выпадает примерно 70% осадков, остальные 30% - в осенне-яцов, на высоте 1300-1400 метров 3,5 , а на выоте  Территория госзаповедника характеризуется густой гидрографической сетью. Основными реками, протекающими по его территории, являются  Правый (протяженностью 19 км), Левый (28 км), Средний (20 км) и Юго-восточный (20 км) Талгары, река Есик (19 км), Южный Есик (3 км). Все реки берут начало на северных и южных склонах хребта Заилийского на высотах 3500-3600 м и относятся к смешанному ледниково-дождевому грунтовому типу питания. Ширина рек колеблется от 5 до 15 м. скорость течения до 15 м/сек. Минерализация вод горных рек находится в минимальных пределах (60-250 мг/л). Так же имеется множество ручьев, ключей родников, мореных озер. Грунтовые воды в основном находятся на глубине 10-15 метров. В верховьях реки Есик расположены озера Акколь (площадью 16 га) на высоте 2140 м и Музколь (площадью 2 га) – 2400 м в.у.м. завально- тектонического происхождения. 

Почвы: Сложный горный рельеф обуславливает своеобразие образование и распределение почв. В нижней части заповедника (Правый и Левый Талгар) под чистыми осиновыми лесами на склонах северных экспозиций формируются лесные темно-серые оподзоленные почвы (содержание гумуса до 16%). Под осиновыми лесами с примесью боярышника, жимолости, шиповника с богатым травяным покровом формируются горно-луговые почвы с содержанием гумуса  до 18%. Под яблоневыми насаждениями формируются деградированные чернозёмы. Эти почвы распространены в основном на северных склонах. В поясе хвойных лесов на северо-западных  и северо-восточных склонах, формируются горно-лесные темноцветные почвы. На южных склонах развиты мелкопрофильные щебнисто-каменистые  степные и лугово-степные почвы.  Выше лесорастительной зоны преобладают субальпийские и альпийские горно-луговые почвы. Под альпийскими и субальпийскими  лугостепями формируются горно-степные почвы.

Территория Алматинского заповедника находится в центральной части хребта Заилийский Алатау, одного из хребтов Северного Тянь-Шаня. В заповеднике расположен Талгарский горный узел, самая высокая точка которого – пик Талгар (4978,8 м). Здесь же возвышается ещё более десяти вершин, превышающих рубеж 4500 м. Самые многоводные реки – Юго-Восточный, Левый, Средний и Правый Талгар, а также Есик, Южный Есик и Жангырык. Верховья крупных рек, берущих своё начало в ледниках, оживляются моренными и завальными озёрами. В бассейне реки Есик расположены два озера обвально-тектонического происхождения – Есик и Акколь, а также несколько моренных озёр, самое крупное из которых Музколь. Красивейшее озеро Есик, исконное название которого Жасыл-Коль, в первозданном виде существовало до 1963 года. Жарким июльским днём разрушительный селевой поток в считанные минуты прорвал естественную плотину и стёр живописное горное чудо с лица земли. 
      
Высотная поясность. Характерной чертой склонов Заилийского Алатау является высотная поясность. На территории заповедника выделен ряд поясов или зон. Южные склоны охранной зоны заповедника заняты степными и частично луговыми растительными формациями. Интенсивная инсоляция создаёт своеобразный степной микроклимат. 
   
Пояс лиственно-смешанного леса занимает высоты от 1200 до 1600 м над уровнем моря. Лесообразующие породы представлены яблоней Сиверса, абрикосом обыкновенным, тремя видами боярышника, черёмухой, осиной, берёзой тянь-шаньской, тополем таласским, несколькими видами ивы и отдельными деревьями ели Шренка. Из кустарников встречаются шиповники – собачий, рыхлый и Альберта, несколько видов жимолости, бересклет Семёнова, барбарис и курчавки. 
   
Хвойные леса представлены одной породой – елью Шренка. В высотных пределах они простираются от 1600 до 2800 м, а отдельные деревья поднимаются до 2900 м над уровнем моря. В подлеске преобладает рябина тянь-шаньская. У верхней границы встречаются заросли можжевельников – сибирского, казачьего и ложноказачьего.
   
Субальпийский пояс в бассейне реки Правый Талгар располагается в пределах 2600 – 2900 м, а в Левом Талгаре – 2700 – 3100 м над уровнем моря. Этот пояс характеризуется хорошей задернованностью склонов. Холмисто-моренные днища долин заняты кобрезиево-разнотравными субальпийскими лугами. Северные склоны покрыты разнотравно-злаковыми лугами с густым травостоем. В плоских понижениях встречаются сырые высокогорные луга – сазы. Южные склоны у верхней границы леса окаймлены густыми зарослями можжевельника туркестанского, а поляны покрыты луго-степной растительностью, с преобладанием манжетковых либо гераниево-манжетковых ассоциаций. Здесь в обилии растут различные луки, камнеломки, мелколепестники, незабудки, горечавки и другие. Значительные площади субальпики занимают осыпи и выходы скал.
   
Альпийский пояс расположен на высоте 2900 – 3200 м, простираясь до подножий современных морен и ледников. В альпийском поясе значительные площади занимают сплошные выходы скал и осыпи. В нижней половине пояса преобладают кобрезиевые луга, а в верхней – разнотравно-кобрезиевые лужайки. Пониженные участки заняты злаково-разнотравными лугами, которые выделяются пестротой ярко цветущих видов, таких, как хориспора Бунге, фиалка алтайская, термопсис альпийский, серпуха лиролистная, ромашка сомнительная, проломник Лемана, каллиантемум алатавский и др. На мелкоземистых склонах южной экспозиции распространены высокогорные степи.
   
Верхнюю часть гор занимает нивально-гляциальный пояс, который можно разделить на два подпояса. Нивальный (3200-5000 м), здесь господствуют скально-осыпные ландшафты с изреженной травянистой растительностью и гляциальный (выше 3900 м) – царство скал, снега и льда.
   

Территория (Ланшавт, Горы, Реки, Озера, Ледники, Глетчеры, Термальные источники)