Курильский заповедник находится на Дальнем Востоке, в Сахалинской области, фактически на границе с Японией. Он расположен на острове Кунашир и еще нескольких находящихся рядом островах Малой Курильской гряды. Заповедник разделен на три участка.

Площадь южного участка составляет 15 266 га, или 23,4% от общей площади заповедника. Охранная зона равна 19 254 га. Вблизи заповедной территории находятся населенные пункты: на северо-западе — пос. Алехино, на северо-востоке — пос. Серноводск. Рельеф низкогорный, вулканического происхождения, с абсолютными высотами 100-400 м. В центральной части заповедника, в кальдере вулкана Головкина, находится оз. Горячее и соединенное с ним протокой небольшое оз. Кипящее. В северной части южного участка расположено оз. Песчаное лагунного происхождения, соединенное протокой с Охотским морем. В Охотское море впадают р. Алехина и ручьи Водопадный, Кривопотка и Быстрый. 

Площадь северного участка равна 49 899 га, или 76,5% от общей площади заповедника. Охранная зона — 22 211 га. На севере участок граничит с побережьем Охотского моря, на юге — с побережьем Тихого океана. Вблизи заповедной территории находятся населенные пункты — пос. Докучаеве и пос. Тятино. Рельеф среднегорный, вулканогенного происхождения, с абсолютной высотой 1822 м (вулкан Тятя). В Тихий океан впадают реки Тятинка, Саратовская и Ночка, в Охотское море — р. Птичья. 

Третий участок — площадью 96 га (или 0,1% от общей площади заповедника) — состоит из группы небольших островов Демина и Осколки. В состав последних входят острова Лисьи, Шишки и скалы Пещерная, Парус, Свеча и Кира. 

Климат Кунашира влажный, морской и характеризуется господством восточноазиатских муссонов. Кроме того, на климат острова существенное влияние оказывают теплые и холодные морские течения. Так, с севера и запада остров омывается теплым течением Соя (ветвь Цусимского), а с юга и востока — ветвью холодного Курильского течения. Зима многоснежная, мягкая, но нередки ветры, достигающие ураганной силы — до 40-50 м/с. Периодически зимой проникает теплый субтропический воздух, вызывающий оттепели до 8-10°. Летом зимний северо-западный муссон сменяется юго-восточным. Он приносит на Кунашир теплый и влажный воздух, с которым связаны летние дожди и туманы. Количество осадков достигает 1000 мм и более в год. Подобные особенности климата в сочетании с активным вулканизмом имеют большое значение для формирования растительных сообществ и распределения животных. На более теплом охотском побережье Кунашира весна и соответственно вегетация растений и гнездование птиц начинаются на 10-14 дней раньше, чем на побережье Тихого океана, а летом и осенью больше теплых солнечных дней. В местах, где отепляющее влияние вулканической деятельности сочетается с защитной ролью горных хребтов, встречается много южных теплолюбивых растений и представителей южной фауны. К подобным своеобразным микроклиматическим районам можно отнести кальдеру вулкана Головнина, расположенную на южном участке заповедника.