Территория заповедника расположена в Южном Заволжье. Этот край представляет собой песчаную слабонаклонную равнину с заболоченными низинами и дюнами. Край, где царствуют сосновые леса и болота.

Речную сеть заповедника образуют река Керженец, по которой проходит западная граница заповедника, и её левые притоки. Все озера на территории заповедника пойменные (старицы Керженца). Наиболее крупные притоки Керженца – реки Большая и Малая Черная, Вишня, Пугай.

В Керженском заповеднике сохранились в естественном состоянии свыше 30 торфяных болот с общей площадью около 4000 гектаров, которые входят в состав водно-болотных угодий международного значения Камско-Бакалдинскую группу болот.