Территория заповедника расположена в пределах западного макросклона Главного Уральского хребта. Центральная линия заповедника тянется с севера на юг по хребту Басеги, имеющего вид хорошо обособленных горных вершин Северного Басега (952 м над уровнем моря), Среднего Басега (994 м) и Южного Басега (851 м). Протяженность хребта с севера на юг составляет около 30 км. Хребет Басеги - один из живописных и высоких хребтов Среднего Урала. Хорошо обособленный, он заметно выделяется среди увалистых форм рельефа, окружающих его. Склоны хребта активно подвергались воздействию гольцовой денудации, что привело к образованию отдельных вершин, разделенных неглубокими ложбинами. На вершинах можно видеть останцы - причудливые каменные "столбы" и гребни с живописными характерными формами.

На высотах 700-800 м над уровнем моря в процессе разрушения хребта образовались террасы с "каменными реками" - языками каменных осыпей, нижние террасы реликтовые, верхние - современного происхождения. Отдельные горные цепи, вытянутые с севера на юг, складываются из гряд, сопок и увалов с обнаженными вершинами, часто острыми, гребневидными. Большие гряды и отдельные вершины разделяются ложбинами. Крутые каменистые склоны покрыты беспорядочным нагромождением камней и глыб. В настоящее время главными рельефообразующими процессами являются выветривание, деятельность текучих вод и гравитационное перемещение.
Водоёмы
Гидрографическая сеть в заповеднике представлена двумя средней величины реками - Усьвой (на северной границе заповедника) и Вильвой (на южной границе), притоками реки Чусовой Камского водного бассейна. Их многочисленные мелкие притоки густо пронизывают пониженные участки рельефа. Все реки заповедника имеют хорошо выраженный горный характер, их ложе каменистое, русло порожистое, речные долины разработаны слабо. Значительный перепад высот обеспечивает высокую скорость течения, сильно выраженные паводковые явления. Вода в реках чистая, хорошо обеспеченная кислородом, маломинерализованная. Наиболее значительные из малых рек - Коростелевка, Большой и Малый Басег, Хариусная. Порожняя, Березовка, Сохатка. Коэффициент густоты речной сети в заповеднике равен 0.5-0.55 км/ кв. км. Малые реки имеют ширину от 3 до 10 м, значительный уклон русла. Питание рек на 45-50% паводковое. Уровень воды в реках значительно колеблется по годам и сезонам. В период весеннего половодья на р. Усьве высшая отметка наблюдалась в 414 см, низшая - 267 см. Самое раннее начало половодья - 15 апреля, самое позднее - 21 мая. Средняя дата начала половодья - 25 апреля. Начало ледостава в среднем - 5 ноября. Лед держится в среднем 195 дней. Толщина льда колеблется по годам от 6 до 78 см. Река Вильва - вторая по величине река. Берет начало на западном склоне Урала. Наибольшая ширина реки - 84 м. Глубина колеблется от 0.6 до 2.2 м. Наименьшая скорость течения - 0.12 м/сек, наибольшая - 1 м/сек., среднемноголетний расход воды - 37 куб. м/сек. Ледовые явления, по сравнению с р. Усьвой, характеризуются более поздними (на 2-3 дня) сроками начала ледостава и более ранними (на 5-6 дней) сроками начала ледохода. Ледяной покров на р. Вильве в среднем держится 186 дней.
Флора и растительность
Для заповедника "Басеги" характерна дифференциация растительности по высотным поясам, а также сочетание элементов европейской и сибирской бореальных форм при проникновении по южным склонам элементов неморального комплекса.
Высотная часть хребта Басеги является местообитанием уральских флористических эндемиков и реликтов арктической, азиатской и горно-европейской флор. 75 видов сосудистых растений входят в число редких и исчезающих.
Общий фон растительного покрова составляют типичные среднетаежные леса, покрывающие пологие склоны и межгорные равнины.
В пределах хребта Басеги выделяются следующие высотные пояса :
1. Горно-лесной 450-600 м над у.м. Растительность горно-лесного пояса представлена елово-пихтовыми лесами с примесью березы по склонам, межгорным понижениям и в долинах рек и ручьев. В древесном ярусе господствуют: ель сибирская, пихта сибирская с примесью березы пушистой. В долинах рек и ручьев встречается сосна кедровая. Основные типы леса: ельник крупнопапоротниковый, занимает пологие склоны, плоские водоразделы и межгорные слабонаклонные равнины нижней части лесного пояса на высотах от 200 до 500м над у.м.; ельник крупнопапоротниковый - снытевый на бурых оподзоленных почвах на тяжелых суглинках и глинах, занимающий южные пологие склоны на высотах от 200 до 500м над у.м.; ельник-долгомошник на торфяно-глеевых почвах, занимает межгорные плоские и слабо наклонные равнины на высоте от 200 до 400м над у.м.; ельник хвощово-сфагновый на торфяно-подзолистых поверхностно-глеевых слабодренированных почвах на суглинках и глинах. Занимает межгорные равнины на высоте от 200 до 400м; ельник приручейниково-разнотравный на торфянисто-перегнойных поверхностно-глеевых и тундрово-глеевых слабощебнистых почвах, занимает берега ручьев и речек на высотах от 200 до 600м над у.м. На верхнем пределе горно-лесного пояса расположены ельники-пихтарники высокотравные, ельники нагорные чернично-зеленомошные на каменисто-щебнистых оподзоленных почвах. Эти леса выше сменяются парковым редколесьем подгольцового пояса.
2. Субальпийский (подгольцовый) пояс. Включает в себя подпояса паркового редколесья, криволесья и лугов. На южных склонах древесная растительность поднимается на 100-150 м выше, чем на северных.
Подпояс паркового (субальпийского) редколесья. Это разряженные низкорослые елово-пихтовые леса с примесью рябины сибирской, березы пушистой, выше по склону - березы извилистой.
Подпояс субальпийских лугов. Горные луга расположены на тех же высотах что и криволесье, часто вклиниваясь в них. Основная масса лугов расположена на восточных склонах и в межгорных седловинах обычно крупными площадями. Луговые сообщества часто поднимаются вверх почти до каменистых россыпей..
3. Горно-тундровый пояс. Представлен в заповеднике четырьмя видами тундр: каменистыми, травяными, травяно-моховыми и болотисто-моховыми. Каменистые тундры приурочены к возвышенностям вокруг каменистых выходов. На них отсутствует дерновый слой, растения располагаются между камнями, на которых много лишайников.
Тундры болотного типа немногочисленны и расположены пятнами.
Травяная тундра - это дерновинная тундра на мелкоземе с преобладанием низкорослых травянистых многолетников с крупными и яркими цветами (качим уральский, ветреница пермская и другие), а также кустарничков (брусника, водяника, черника), встречается можжевельник столообразной формы.
Болотисто-моховая тундра обнаружена на вершине Среднего Басега на платообразной возвышенности вокруг небольшого родника, исчезающего в засушливое время. Вокруг него на поверхности почвы ковер зеленых мхов с редким ярусом пушицы и разнотравья, а также заросли ивы полярной, сероватой, круглолистной, двухцветной .
Среди растений 3 вида (шиверекия подольская, калипсо луковичная и лобария легочная) внесены в красную книгу России и 24 вида - "Красную Книгу Среднего Урала"(1996). Среди них: пион уклоняющийся, родиола розовая, вудсия альпийская, гвоздика иглолистная, калипсо луковичная, астра альпийская, прострел раскрытый, любка двулистная, колокольчик широколистный, качим уральский, тимьян Талиева, пальчатокоренник крапчатый, ветреница пермская, лапчатка снежная, и другие.
Эндемики Урала представлены в заповеднике следующими видами: полевица Корчагина (сем. Злаки), манжетка толстостебельная (сем. Лютиковые), гусиный лук ненецкий (сем. Лилейные), качим уральский (сем. Гвоздичные), ястребинка прямостоячая (сем. Сложноцветные), родиола иремельская (сем. Толстянковые), соссюрея уральская (сем. Сложноцветные), козелец Рупрехта (сем. Сложноцветные), гвоздика иглолистная (сем. Гвоздичные), жабрица порезниковая (сем. Зонтичные), тимьян Талиева (сем. Губоцветные), цицербита уральская (сем. Сложноцветные).
В заповеднике также встречается ряд реликтовых видов растений: Доледниковые реликты: овсяница высокая (сем. Злаковые). Плейстоценовые реликты: арктоус альпийский (сем. Вересковые) - перигляциальный реликт арктической флоры; дриада точечная (сем. Розовые), лапчатка Кузнецова (сем. Розовые), проникли из Арктики. Перигляциальные реликты, проникшие на Урал из высокогорных районов Азии, представлены тремя видами: лисохвост сизый (сем. Злаки), осока кавказская (сем. Осоковые), мытник плотный (сем. Норичниковые). Реликты азиатского происхождения: ясколка малоцветковая (сем. Гвоздичные), герань ложносибирская (сем. Гераниевые), чина Гмелина (сем. Бобовые), соссюрея спорная (сем. Сложноцветные). Голоценовые реликты: воронец колосистый (сем. Лютиковые), живучка ползучая (сем. Губоцветные), копытень европейский (сем. Кирказоновые), медуница неясная (сем. Бурачниковые), чистец лесной (сем. Губоцветные), вяз шершавый (сем. Вязовые), астра альпийская (сем. Сложноцветные), кизильник черноплодный (сем. Розовые), вероника колосовидная (сем. Норичниковые).
Наибольшие концентрации охраняемых видов растений наблюдаются в следующих местообитаниях: 1) Останцы, каменистые россыпи, выходы коренных пород Тертьего Южного Камня; 2) Останцы, выходы коренных пород Первого и Второго Южных Камней; 3) Останец в виде гребешка на восточном склоне Северного Басега; 4) Разнотравные горнотундровые лужайки на северном склоне Среднего Басега;
В заповеднике, кроме перечисленных категорий, имеется ряд очень редко встречающихся. Это следующие растения: костенец постенный и к.зеленый (сем. Костенцовые), гроздовник ланцетовидный (сем. Ужовниковые), колокольчик круглолистный (сем. Колокольчиковые), сердечник луговой (сем. Крестоцветные), осока мягчайшая (сем.Осоковые), ладьян трехнадрезный (сем. Ятрышниковые), криптограмма Стеллера (сем. Криптограммовые), змееголовник Рюйша (сем. Губоцветные), росянка длиннолистная (сем. Росянковые), хвощ зимующий (сем. Хвощовые), гудайера ползучая (сем. Ятрышниковые), гакелия поникшая (сем. Бурачниковые), девясил иволистный (сем. Сложноцветные), плаун одноколосковый (сем. Плауновые), минуарция весенняя (сем. Гвоздичные), мытник болотный (сем. Норичниковые), мытник карлов-скипетр (сем. Норичниковые), любка двулистная (сем. Ятрышниковые), лапчатка Кранца (сем. Розовые), смолевка малолистная (сем. Гвоздичные), звездчатка длиннолистная (сем. Гвоздичные), пижма дважды перистая (сем. Сложноцветные), тимьян обыкновенный (сем. Губоцветные), пузырчатка средняя (сем. Пузырчатковые), фиалка каменистая (сем. Фиалковые), фиалка Селькирка, вудсия эльбская (сем. Кочедыжниковые).
Фауна и животный мир
Животный мир заповедника представлен типичными для горно-лесной зоны видами.
В горных реках заповедника наиболее обычными видами рыб являются хариус, налим, гольян. Очень редко встречается таймень. В последние годы загрязнение реки Вильвы в ее нижнем течении позволило подняться до среднего течения нескольким новым видам, ранее не отмечаемым - ельцу, щуке, окуню.
Горный рельеф заповедной территории дает и бедную картину распространения земноводных и рептилий. Наиболее обычны на территории заповедника травяная лягушка и живородящая ящерица.
Из птиц в заповеднике обычны оседлые виды: глухарь, тетерев, рябчик, ворон, дятлы, некоторые воробьиные. Эти птицы встречаются по всей территории. В летнее время в горных лесах заповедника гнездится более 100 видов. Самыми широко распространенными являются представители воробьинообразных: славковых, мухоловковых, синицевых, вьюрковых, овсянковых.
Среди хищных птиц нередко встречаются ястреб-тетеревятник, ястреб-перепелятник, лунь полевой, канюк, пустельга. Сравнительно редки осоед, чеглок, черный коршун. Очень редко встречаются беркут, большой подорлик, орлан-белохвост, сокол-сапсан. В отдельные годы на вырубках охранной зоны и в горных лугах встречается много сов: ястребиной, болотной, ушастой, а также воробьиный и мохноногий сычи. Редки крупные совы - бородатая неясыть и филин. Наиболее богаты в видовом разнообразии орнитокомплексы речных долин, субальпийских лугов и паркового редколесья, наименее - горных тундр. Чрезвычайно редки на заповедной территории встречи черного аиста, скопы, сапсана, беркута.
В горно-лесных биотопах заповедной территории широко распространены лось, бурый медведь, волк, лисица, рысь, заяц-беляк, белка. Многочисленны мелкие млекопитающие: насекомоядные, грызуны. Из мелких хищников обычны куница, норка американская, колонок, горностай, ласка. Редки - росомаха, норка европейская, выдра, хорь черный, белка-летяга, барсук. Изредка на территорию заходят кабан, косуля, в охранной зоне в последние годы появился бобр.