По современному природному районированию лесной массив заповедника входит в зону хвойно-широколиственных лесов на границе с лесостепью, северная граница лесостепи проходит здесь через г. Нижний Новгород, значительно южнее зоны хвойно-широколиственных лесов. По С.Ф. Курнаеву (1980), леса заповедника находятся в зоне широколиственных лесов Русской равнины, но в общем его территория входит в выступающий к югу в лесостепь отрог зоны подтаежных лесов.
Климатически заповедник входит в атлантико-континентальную область умеренного пояса. Безморозный период длится 120—135 дней — с начала мая до второй половины сентября. Устойчивая минусовая температура устанавливается в ноябре. Максимальная абсолютная температура 40°, минимальная —48° (зима 1978/79 г.). Но обычно морозы умеренные, до —10, —15°. Довольно часты оттепели. В год выпадает в среднем 530 мм осадков, во влажные годы — до 660, в засушливые — до 400 мм, преимущественно в виде дождей. Средняя высота снежного покрова 50—60 см, в многоснежные годы — до 80 см. В малоснежные зимы на открытых местах почва промерзает на глубину до 2 м, под пологом леса — гораздо меньше, а при установлении глубокого снежного покрова оттаивает до верхнего горизонта.
Два оледенения придали специфический облик обширному поясу полесий. Днепровское обнажило известняки и затем закрыло их мореной. А 25 тыс. лет назад валдайский ледник своими потоками смыл отложения предшествующего оледенения, заполнив впадину древнеаллювиальными песками. Древние оледенения значительно изменили рельеф, оставив широкую полосу песков Днепровско-Деснинского и Окско-Клязьминского полесий, частично разделенных Среднерусской возвышенностью. Мордовский заповедник находится в юго-восточной части Окско-Клязьминского полесья, на самой границе с лесостепью.
Водораздельный участок между реками Мокшей и Сатисом представляет четвертую, Днепровскую террасу, а на пологом склоне к Мокше выделяются еще две Валдайские террасы (третья и вторая), более молодые (Ремезов, 1960). Моренные отложения здесь смыты, а подстилающие известняки покрыты мощным слоем песков. Древнеаллювиальные пески покрывают и морену, сохранившуюся на четвертой террасе. Мощность песков неодинакова, но в общем они покрывают все надпойменные террасы.
Потоками уходящих ледников пески намывались то грядами, то округлыми холмами, что и нарушило равнинный характер местности, особенно на самых древних террасах долины Мокши. Ближе к реке молодые террасы выровнены, но в равнинном рельефе выделяются глубокие карстовые воронки. Один из самых крупных карстовых провалов близ заповедника — оз. Ендовище. На территории заповедника встречаются воронки диаметром до 30 м, а ближе к водоразделу и более обширные, но неглубокие блюдцеобразные оседания, занятые сфагново-осоковыми болотами. Здесь карстовые воронки имеют своеобразную форму: на дне воронки — вода, в центре — сплавинный остров, покрытый мощным слоем сфагнового мха, скрепленного корневищами осок. Иногда на таких островах вырастают березы, но на стадии жердняков они постепенно расшатываются и падают.
Карстовые провалы образуются до сих пор, чаще всего под крупными соснами, которые, с одной стороны, как дополнительная тяжесть давят на верхний горизонт почвы, с другой — разрыхляют грунт при раскачивании деревьев ветром. Старые воронки служат местом водопоя животных, а иногда и минеральной подкормки копытных или источником гастролитов для тетеревиных птиц. Правобережная часть долины, занятая заповедником, имеет уклон к руслу Мокши, превышая ее уровень до 77,7 м (наивысшая точка — 187,7 м над ур. моря).
Площадь водосбора бассейна Мокши до границы заповедника — 15 800 км2. Высота годичного слоя стока около 104 мм. В 1965 г. пик паводка на Мокше достиг отметки 731 см. Весной по реке проходит до 711 м3 воды в секунду. Летние осадки мало влияют на русловый сток Мокши. Лишь после сильных ливней повышается уровень воды в речках бассейна, а затем и в Мокше. В редких случаях это повышение бывает значительным, так как облесенность водосбора уменьшает поверхностный сток.
Большая часть территории заповедника входит в водосбор речки Пушты, впадающей в Сатис на границе заповедника. Русло Пушты почти на всем протяжении слабо врезано и уже с верховьев имеет выраженную пойму, часто заболоченную, без заметного уреза коренного берега. На гидрологию Пушты заметно влияют бобровые запруды, которые подтапливают большие площади. В засушливые годы русло речки пересыхает до самых низовий. В юго-западной части заповедника около двух десятков озер. Это старицы Мокши, иногда крупные и глубокие (Пичерки, Боковое, Таратинское, Инорки, Вальза). Озера соединены протоками. Проточные в зимнее время, они имеют большое значение для обитания рыб. Осенью они служат основным местом дневки уток, в том числе пролетных.
Иной характер верховий речек в восточной части заповедника. Это глубоко врезанные каналы типа; ущелий с завалившимися над ними деревьями. Ключи, питающие эти речки, имеют иногда длину всего 10—15 м. Над ними характерны проседания верхних горизонтов почвы типа карстовых провалов. Дренирующее влияние таких речек благоприятно для почвообразовательных процессов, улучшая лесорастительные свойства почв.
Особенности почв заповедника связаны с их положением в рельефе и лесорастительными условиями. На первой пойменной террасе преобладают черноземовидные пойменные почвы под дубравами и перегнойно-глеевые под черноольшаниками; на второй и третьей террасах — слабодерново-подзолистые песчаные почвы под борами; местами есть бурые лесные почвы, почвы на кварцевых песках, подстилаемых моренными суглинками, почвы с мощным перегнойно-аккумулятивным горизонтом и много переходных форм.
Для ландшафтов юго-западной части заповедника характерно наибольшее разнообразие, смешение южных и северных, степных и лесных форм, выжженной степи и глубоких озер, открытых заливных лугов и густых тенистых лесов.
