在地质构造上属于新华夏系构造体系张广才岭、老爷岭第二隆起带，为华夏式构造体系所控制。区内的地质受镜泊晚期大干泡——蛤蟆塘火山群活动的影响，分布有大面积的高位玄武岩。

在地貌类型属于东北东部山地，是发育在地台隆起带上，新生代断裂升降，有强烈火山作用的低山丘陵区，是长白山北部支脉张广才岭中段东坡的一部分，地势西高东低，海拔在360~1260m之间，平均海拔高度810m，属于中低山丘陵区。

小北湖国家级自然保护区地处温带大陆性季风气候区，因受海洋暖湿气流和西伯利亚冷空气的双重影响，四季气候变化明显。主要表现为春季风大干旱，夏季温湿多雨，秋季多风干燥，冬季寒冷而漫长。年平均气温在2.5℃左右，年降水量平均在650mm左右，主要集中在7-8月份，无霜期90~100天。

脊椎动物共有379种，其中鱼类有5目11科52种；两栖类有2目6科11种；爬行类共有3目4科12种；鸟类17目50科255种；兽类6目15科49种。国家I级保护动物8种 ，国家II级保护动物43种。此外，还有昆虫动物12目98科379种。

高等植物有694种，其中苔藓植物29科，58属，78种，蕨类植物56种，隶属于18科，32属，种子植物（裸子和被子植物）560种，隶属于87科，291属。其中，国家II级重点保护植物就有8种，如红松、水曲柳、黄檗、莲和紫椴、野大豆、浮叶慈菇及乌苏里狐尾藻等。

该保护区内自然保护区内生态系统类型丰富，生境特异，森林、灌丛、草甸、沼泽、水塘镶嵌分布，构成了复杂、多样的森林景观。区内丰富的生物物种多样性、特殊的火山岩地貌以及高生产力、高种质资源的种源基地，说明了该保护区是一个重要的物种遗传“基因库”，是进行森林生态系统科学研究和教学实习的理想基地，具有重要的研究价值和科学意义。