Район расположения заповедника находится в юго-восточной части Тамбовской области, где Тамбовская равнина граничит с отрогами Приволжской возвышенности, вблизи самых высоких точек поверхности Тамбовской области с абсолютными отметками до 210 м над уровнем моря. Максимальные отметки непосредственно территории заповедника достигают 180 м (у сел Никитино и Иноковка), минимальные – 115 м (урез р. Ворона у южной границы заповедника).
Район сложен верхнетретичными (юго-восток), верхнемеловыми и частично нижнемеловыми породами, перекрытыми суглинистыми отложениями четвертичного возраста. Современный рельеф своим происхождением обязан действию талых ледниковых вод (древние реки) и атмосферных осадков в послеледниковое время. Согласно ландшафтному районированию Тамбовской области, заповедник входит в состав Воронинского долинного расчлененного района, который продолжается на территорию Саратовской области. Местность – равнинная, сильно расчлененная долиной реки Ворона.
Рельеф заповедника определяется его положением вдоль долины р. Ворона, которая отличается ярко выраженной асимметрией склонов. Более высоким и крутым является правый склон. Склоны долины Р. Ворона, малых речек и балок имеют крутизну до 26-280, выполаживаясь в приводораздельной части. Такие уклоны поверхности обуславливают высокую скорость течения талых и ливневых вод, что способствует росту оврагов и промоин, процессов размыва и смыва почв.
