
- Địa hình: Các dạng địa hình chính bao gồm: đồi núi trung bình và thấp (200-1000m), thung lũng và khu vực đồng bằng, địa hình thềm cát ven biển và rạng san hô. VQG Núi Chúa là quần thể núi đá có độ cao từ 200-1000m so với mực nước biển, đỉnh cao nhất là đỉnh Cô Tuy (còn gọi là Núi Chúa Anh, cao 1039m), sau đó là Núi Chúa Em (970m). Hệ thống núi chính chạy theo hướng Bắc - Nam, ngoài ra còn có nhiều núi khác như Núi Ông Thỏ, Núi Bà Dương, Núi Sưa, Núi Nước Khỉ, Núi Đá Vách. Địa hình thấp đều về hai phía Đông và Tây. Xen giữa các núi lớn có nhiều đồi thấp và các suối nhỏ, một số khu vực là thung lũng được dân địa phương sử dụng trồng lúa nước, đặc biệt trên khu vực núi thấp Đá Vách thuộc xã Vĩnh Hải có vùng trũng ngập nước gọi là Ao Hồ nơi hoạt động của nhiều loài động vật rừng. Vùng cát ven biển nhiều là nơi di trú và sinh sản của nhiều loài động vật biển quý hiếm.
- Địa chất, thổ nhưỡng: Địa chất của khu vực cấu tạo chủ yếu trên nền địa tầng của khối đá mácma do hai quá trình xâm nhập và phún trào. Có 3 loài đa mẹ chính là: đá Granit, đá Andedit và đá Liparit. Có các loại đất sau: đất đỏ vàng trên macma acid chiếm 77,3% diện tích VQG, đất xám bạc màu trên macma acid, chiếm 1,2%, đất xám vàng bán khô hạn, chiếm 12,1%, đất xám bạc màu trên phù sa cổ, chiếm 0,8%, đất phù sa không được bồi, chiếm 0,7%), đất cát bi, chiếm 3,4%) và núi đá trọc không cây, chiếm 4,5%).
- Thủy văn: Tồn tại hệ thống nước ngầm và sông suối. Các suối chính là: suối Nước Ngọt, suối Kiền Kiền, suối Đông Nha, suối Lồ Ô. Ao Hồ trên núi Đá Vách có nước quanh năm (mực nước cao nhất khoảng 1,2m vao mùa mưa, mùa khô mực nước cạn đi rất nhiều) là nơi tập trung của nhiều loài động vật rừng.
- Hải văn: Thủy triều mang tính bán nhật không đều. Độ lớn thủy triều trong kỳ nước cường từ 2,0 - 3,5m. Sóng biển từ tháng 1 - 4: hướng Đông Bắc - Đông, độ cao trung bình 0,9 - 1m, cực đại 2,5m; từ tháng 5 - 9: hướng Tây - Tây Nam, độ cao trung bình 1 - 1,1m, cực đại 2 - 2,5m; từ tháng 10 - 12: hướng Đông Bắc, độ cao trung bình 1,2m, cực đại 2,5m. Nhiệt độ trung bình nước biển trong các tháng khoảng 250C, độ mặn trung bình năm khoảng 31 - 33%. Hướng sóng phụ thuộc chặt chẽ vào hướng gió chủ đạo của các mùa. Độ cao sóng cực đại là 8m trong thời kỳ gió mùa Đông Bắc và 5m trong thời kỳ gió mùa Tây Nam. Nhìn chung, thời kỳ từ tháng 5 tới tháng 10 được xem là thời kỳ cực thuận cho hoạt động trên biển. Số liệu thủy triều thu nhận được tại trạm Phan Rang đã chỉ ra rằng có dòng triều chảy theo hướng Bắc - Nam dọc theo bờ biển với vận tốc trung bình từ 20 tới 30cm/s ở đáy và 40cm/s ở bề mặt. Hướng dòng chảy thay đổi theo mùa. Có một dòng chảy thường xuyên dọc theo bờ biển của lục địa theo hai mùa rõ rệt. Dòng chảy này chảy theo hướng Đông Bắc trong thời kỳ gió mùa Tây Nam và theo hướng Tây Nam trong thời kỳ gió mùa Đông Bắc. Một dòng chảy thường xuyên ở độ sâu 80 - 140m từ Bắc xuống Nam quanh năm với vận tốc trung bình đạt 0,7 - 1,1dặm/giờ trong thời kỳ từ tháng 12 tới tháng 3, và với vận tốc từ 0,5 -1,0 dặm/giờ trong thời gian từ tháng 6 tới tháng 9.
- Khí hậu khu vực này mang tính chất khí hậu nhiệt đới gió mùa. Do độ ẩm và lượng mưa thấp đã tạo nên sinh cảnh rừng khô hạn. Nhiệt độ trung bình năm khoảng 270C. Nhiệt độ thấp nhất tuyệt đối: 14,40C. Nhiệt độ cao nhất tuyệt đối: 41,70C. Biên độ nhiệt ngày từ 7,6-9,60C, cả năm là 80C. Lượng mưa trung bình năm rất thấp (ở Phan Rang là 691,9mm), lượng mưa phân bố không đồng đều. Lượng mưa thấp nhất là 272,2mm, cao nhất là 1.231,2mm.