Тоджинская котловина по гипсометрическому положению, климату и растительности носит среднегорный характер. Дно котловины повышается с запада на восток с 850 до 2000 метров над уровнем моря . Котловина обрамлена нагорьями с высотами 2300-2900 м, относящимися к трем горным системам. На юге вздымаются горные цепи хр. Академика Обручева, на западе и северо-западе - Западного саяна, на северо-востоке и востоке - Восточного Саяна. Высочайшая точка Восточного Саяна- пик Топографов (3044 м) располагается вблизи восточной границы заповедника, проходящей по водоразделу хребта Большой Саян. К водоразделу приурочена самая высокая горная вершина заповедника - 2912 м.
Заповедник полностью расположен в районе распространения бывшего покровного оледенения, создавшего живописные формы рельефа. Все горные поднятия на его территории относятся к системе Бий-Хемского плоскогорья. Высокогорный хребет Улуг-Арга (2200-2400 м), окаймляет левобережье реки Азас в верхнем течении. К востоку от него простирается вулканическое плато Сай-Тайга, постепенно переходящее в хребет Большой Саян. Плато питает многочисленные истоки рек Азас, Соруг и Бий-Хем. Над плато возвышаются столовые горы-вулканы: Шивит -2769 м, Кок-Хемский - 2701 м, массив Соруг-Чушку-Узю -2517м. Их склоны обработаны ледником. Ярко выражены кары, троги, горные гребни. В карах обычны озера. Для вулканического плато и хребта Улуг-Арга характерен высокогорный гольцовый тип рельефа с участием альпийских форм. Обращенные к долинам рек склоны имеют резкое ледниково-эрозионное расчленение.
Особое место занимает междуречье рек Азас, Хамсара и Соруг. В верхнем и среднем течении р. Азас оно представляет собой среднегорную грядово-холмистую равнину с высотами 1300-1800 м. Преобладают экзарационные ледниковые формы рельефа: вытянутые вдоль движения ледника гряды и холмы, троговые долины, экзарационные уступы. В понижениях развиты моренные отложения. В нижнем течении р. Азас на междуречье широко распространены ледниково-аккумулятивные образования: зандровые террасы, конечно-моренные гряды, озы, камы и др. Рельеф - низкогорный холмисто-моренный с высотами 950-1300 м. Многочисленны озера и верховые болота. Здесь расположены наиболее крупные озера заповедника.
На территории заповедника выделяются два основных вертикальных пояса: лесной и высокогорный. В низкогорье фрагментарно выражен степной пояс. Лесные площади занимают 73%, горные тундры и гольцовые россыпи - 16%. Остальные участки - болота, луга, степи, водоёмы.
В заповеднике представлен наиболее гумидный тип вертикальной поясности растительного покрова горных систем Тувы - восточно-саянский или тоджинский, характеризующий Тоджинский кедрово-лиственничный округ Восточно-Саянской горной таежной провинции (Куминова, 1985). В лесном поясе (Молокова и др., 2002) четко прослеживается смена с высотой подтаежных травяных лиственничных и березовых лесов (900-1100 м н.у.м.) на горно-таежные лиственничные, кедровые преимущественно моховые леса (1000-1700 м) и затем подгольцовые кедровые, кедрово-лиственничные леса и редколесья (1700-1900 м). По площади абсолютно преобладают горно-таежные леса. Высокогорный пояс (1900-2600 м) по характеру ландшафта горно-тундровый с включением субальпийской и альпийской растительности. К особенностям растительного покрова, обусловленным ледниковыми формами рельефа, относится широкое распространение кустарниковой растительности на флювиогляциальных речных террасах, сосновых лесов на моренных отложениях, в сочетании с мерзлотными процессами - болот и заболоченных редколесий. Характерный элемент для всех высотных поясов - скалы и каменистые россыпи с пионерными группировками растений, особенно обширно представленные в высокогорье.
Флора высших сосудистых насчитывает 925 видов, относящихся к 355 родам и 93 семействам. Ведущее место принадлежит семействам Poaceae - 96, Asteraceae - 92, Cyperaceae -77 видов. В заповеднике произрастает 7 видов растений Красной книги РСФСР(1988): ковыль перистый ( Stipa pennata L.s.str.) , рябчик Дагана (Fritillaria dagana Turcz. ex Trautv.), (Aconitum pascoi Worosch), венерин башмачок настоящий (Cypripedium calceolus L.), венерин башмачок крупноцветковый (C. macranthon Sw.), надбородник безлистный (Epipogium aphyllum (F/W/Wschmidt) Sw.),неоттианте клобучковая (Neottianthe cucullata (L) Schlechter). Флора также включает около 40 регионально редких видов (Шауло, 1998), часть из которых внесена в Красную книгу РТ: растения (1999): кувшинка четырехугольная (Nymhaea tetragona Georgi (1775), кувшинка чисто-белая (N. Candida J. et C. Presl (1882), кубышка малая (Nuphar pumila (Timm) DC. (1821) и др.
Список мохообразных из 217 видов включает 70 видов печеночных и 147 листостебельных мхов . Среди листостебельных мхов описаны новые для науки виды: Didimodon hedysariformis T.Otn., Orthotrichum furcatum T.Otn. 11 видов листостебельных мхов являются редкими для Сибири.
В заповеднике установлено более 130 видов лишайников, в том числе 8 редких для Сибири. Не изучена группа эпилитных лишайников.
Фауна заповедника типична для регионов Алтае-Саянской горной страны, где представлен полный высотный спектр горных ландшафтов с базисной степной зоной.
Изучение фауны беспозвоночных находится в начальной стадии. Ихтиофауна насчитывает 15 видов, среди которых наиболее редок таймень (Hucho taimen Pallas, 1811), занесенный в Красную книгу Республики Тыва (2002). Из земноводных обитают 2 вида - сибирский углозуб (Hynobius keyserlingi Dybowski) и остромордая лягушка (Rana arvalis Nilsson). Пресмыкающиеся представлены 3 видами: живородящей ящерицей (Lacerta vivipara Jacquin), щитомордником Палласа (Agkistrodon halys (Pall.)) и обыкновенной гадюкой (Vipera berus (L.)) - видом Красной книги РТ.
Общий список орнитофауны на территории заповедника включает 230 видов, из них 138 гнездящихся, а с учетом охранной зоны 254 вида. Наиболее богато представлены отряды воробьинообразных, ржанкообразных, соколообразных и гусеобразных птиц. 20 редких видов птиц являются объектами Красной книги Республики Тыва (2002), из них 10 внесены в Красную книгу Российской Федерации (2001). Оптимальные условия для гнездования находят в заповеднике орлан-белохвост (Haliaeetus albicilla (Linnaeus, 1758)) - вид Красной книги МСОП, скопа (Pandion haliaetus (Linnaeus, 1758)), филин (Bubo bubo (Linnaeus, 1758)), таежный гуменник (Anser fabalis middendorffii Severtzov, 1873) и горный дупель (Gallinago solitaria Hodgson, 1831).
В заповеднике обитает 51 вид млекопитающих: насекомоядные - 10, рукокрылые - 2, зайцеобразные - 2, грызуны - 17, хищные - 13, парнокопытные - 7 видов. В списке имеются 3 вида Красных книг РФ и РТ : тувинский бобр (Castor fiber tuvinicus Lavrov, 1969), снежный барс (Uncia uncia Schr.), лесной северный олень (Rangifer tarandus fennicus Flerov) и 1 вид включен в Красную книгу РТ: выдра (Lutra lutra L.). Тувинский бобр - эндемик России, основная популяция находится на р. Азас в заповеднике.
