Располагаясь в центре Восточно-Европейской равнины, территория заповедника представляет собой низменность со средними высотами около 150 метров над уровнем моря. Эта волнистая низменность прорезана небольшими долинами рек Усмани и Ивницы с низкими, часто заболоченными берегами. Только река Воронеж, составляющая на небольшом протяжении западную границу заповедника, течет местами между высокими и крутыми берегами. В поймах рек многочисленны старичные озера на разных стадиях зарастания. Для рек заповедника типичны мощные весенние паводки, затапливающие пойменные леса, и очень низкие летние межени, когда реки местами почти пересыхают.
Заповедный лес пересекают извилистые и волнистые водоразделы, испещренные лесными балками, ложбинами и песчаными буграми.
Большой массив Усманского леса создает климат, отличающийся от климата окружающих его открытых пространств. Среднегодовая температура здесь всего 5°, что на два градуса ниже, чем в Воронеже. Средняя температура июля 20°, января -10,5°. Зимой часты оттепели, но морозы могут доходить до -35°, а июльская жара до 40°. Типична неравномерность выпадения осадков по годам — от 300 до 800 миллиметров. Снежный покров чаще очень мал, но в отдельные годы достигает 50 сантиметров и более, что в два раза превышает высоту снежного покрова в степных районах области.
Наиболее типичны для заповедника смешанные леса в виде сложных боров, где первый ярус образует сосна, а второй — дуб, осина, местами по понижениям и береза. Богатый подлесок сложных боров состоит из бересклета, липняка, рябины, крушины и других кустарников.
Большие массивы образуют осино-дубовые леса с одиночными соснами, возникшие на местах когда-то сведенных боров.
На песках обычны сосновые боры, почти лишенные подлеска и травы, часто только сухая хвоя едва покрывает желтый песок. На склонах нешироких долин есть небольшие по площади, богатые спелые дубравы с мощными дубами, старыми липами, стройными кленами и ясенем. В дубравах, особенно по опушкам, густой подлесок состоит из лещины и бересклета, а в травяном покрове такие типичные виды, как копытень, сныть, звездчатка, майник, пролеска, ветреница.
Берега рек окаймляют пойменные ольшаники, а у самой воды — ивняки. Ольшаники — это наиболее глухие, а подчас и малопроходимые леса. Густая темно-зеленая листва ольхи образует вверху сплошной свод, под которым сумеречно даже в яркий солнечный день. Прямые черные стволы ольхи растут группами из одной большой кочки — коблы. На илистых почвах между коблами все лето стоит жидкая грязь или разрастаются осоки, иногда тростник и рогоз. Коблы порастают тенелюбивой таволгой, папоротниками, крапивой. Много бурелома, образующего непроходимые завалы, опутанные плетями хмеля. Кое-где разрастаются кусты черной смородины и ивняк. Много в заповеднике молодых зарастающих вырубок и солнечных полян.
Богатая растительность развивается по берегам озер и на их мелководье. Если ивняки не спускаются к самой воде, то берега зарастают осоками, стрелолистом, сусаком, частухой, ирисами. Следующую, водно-прибрежную часть занимают заросли рогоза с его высокими коричневыми щетками, тростники и камыши. Еще ниже идет пояс растительности с плавающими листьями, где множество красивых белых кувшинок и желтых кубышек. Еще глубже растут рдесты, роголистник, уруть, а зеркало воды нередко покрывает сплошной ковер ряски.
Животный мир.
Фауна Воронежского заповедника богата и насчитывает 54 вида млекопитающих, 187 видов птиц, 8 видов пресмыкающихся, 8 видов земноводных и 39 видов рыб. Наряду с южными (степными) видами, проникающими на опушки и поляны леса, такими, как большой тушканчик, степная пеструшка, щурка, садовая овсянка и другие, здесь встречаются северные (лесные) виды, например заяц-беляк, темная полевка, дрозд-рябинник, снегирь.Однако самое замечательное животное заповедника — бобр. В прошлом бобры жили по всем рекам Европы и Северной Азии, берега которых были покрыты древесными и кустарниковыми зарослями, в первую очередь ивняками. Бобр населял реки лесной, лесостепной и отчасти степной зоны и играл большую роль в жизни почти всех народов этих мест.
На самой заре человеческой культуры бобр был уже предметом особого почитания. Археологические находки каменного века и более поздних эпох с изображением бобров, ожерельями из бобровых зубов, фольклор, легенды, культовые обряды, сохранившиеся до недавнего времени у некоторых народностей Сибири, говорят о большом значении, широком распространении и глубокой древности культа бобра. Еще недавно существовавшее повсюду в России поверье о водяном — хозяине реки, который в лунные ночи хлопает по воде ладонью и валит по ночам деревья, свидетельствует о том, насколько бобр своим необычным образом жизни поражал воображение людей.