Территория сложена толщей палеозойских отложений (девона и карбона), залегающих на породах кристаллического фундамента. Верхнедевонские отложения представлены известняками, доломитами, мергелями, песчаниками, песками, алевролитами, алевритами, глинами, встречающимися на глубинах от 5-20 до 100-140 м, мощность 400-700 м. Отложения карбона - известняки, мергели, глины, бокситы, бурые угли, пески, песчаники - мощностью 35-100 м отмечаются на глубинах 0,4-130 м. В рельефе преобладает сочетание моренных холмов и западин с многочисленными ложбинами, логами и ручьями
На территории парка формируется умеренно континентальный климат с умеренно теплым летом, довольно продолжительной умеренно холодной зимой. Среднегодовая температура воздуха составляет примерно +3 град. С. Среднегодовая температура самых холодных месяцев (января и февраля) -минус 9 - 10, самого теплого месяца - июля - +16 - 17 град. С. Продолжительность безморозного периода - 128 дней. Годовое количество осадков составляет 828 мм. Минимум осадков приходится на февраль, март, максимум - на июль, август. Примерно 50% осадков выпадает в виде дождя. Продолжительность периода с устойчивым снежным покровом - 140 дней. Высота снежного покрова достигает 40-45 см. В течение года преобладают западные, юго-западные и южные ветры. Одна из наиболее примечательных черт климата Валдая - сравнительная неустойчивость, быстрая переменчивость погоды
На территории парка преобладают дерново-слабоподзолистые почвы. Собственно подзолы довольно редки. В понижениях между холмами и лощинах распространены дерново-подзолисто-глеевые почвы. Торфяно-болотные почвы занимают небольшую площадь вследствие хорошей дренированности территории. Под некоторыми типами неморальных лесов формируются буро-псевдоподзолистые почвы