Vườn Quốc gia Ba Bể cách Hà Nội 250 km về phía Bắc thuộc địa bàn huyện Ba Bể, tỉnh Bắc Cạn, bao gồm toàn bộ diện tích đất xã Nam Mẫu, một phần ở các xã Khang Ninh, Cao Thượng, Cao Trĩ.
Vườn có tọa độ địa lý: 22030 độ vĩ Bắc, 105036’ độ Kinh Đông. Tổng diện tích đất đai tự nhiên Vườn đang quản lý là 7.610ha trong đó khu bảo vệ nghiêm ngặt 3.226,2 ha, khu phục hồi sinh thái 4.038,6 ha, khu hành chính dịch vụ 300,2 ha, vùng đệm ước tính khoảng 42.100 ha.
Vườn Quốc gia Ba Bể nằm trên độ cao từ khoảng 150 đến 1.098 mét so với mặt nước biển. Về cấu trúc địa chất, chiếm ưu thế là đá vôi với nhiều đỉnh cao lởm chởm, độ phân cắt lớn, nhiều sườn đồi dốc bao quanh các thung lũng, sông suối. Địa hình núi đá vôi có nhiều hang động, lớn nhất là Động Puông, dài tới 300m, có sông Năng chảy qua, tạo nên cảnh quan thiên nhiên đầy vẻ ngoạn mục.
Đặc điểm nổi bật nhất của Vườn Quốc gia Ba Bể là trên địa hình đá vôi có một hồ nước ngọt - Hồ Ba Bể. Hồ nằm ở vị trí trung tâm của Vườn, có cấu tạo đặc biệt thắt ở giữa và phình to ở hai đầu. Quanh Hồ là những vách đá, chỗ dựng đứng như một bức tường, chỗ lại vòng vèo uốn lượn ăn sâu vào các thung lũng làm cho
hình dáng hồ rất độc đáo, hoang sơ. Hồ Ba Bể nằm trong vùng địa hình casto Chợ Rã - Ba Bể - Chợ Đồn thuộc vùng trũng của khối nâng Việt Bắc. Khối nâng này được hình thành do sự phá huỷ của khối lục địa Đông Nam Á và cuối kỳ Cambri khoảng 200 triệu năm về trước. Do có cấu tạo địa chất đặc biệt nên Hồ Ba Bể có những nét riêng biệt so với các hồ Caxto khác trên thế giới. Chính vì vậy mà Hội nghị Quốc tế về hồ nước ngọt tại Mỹ tháng 3/1995 đã đưa Hồ Ba Bể là một trong 20 hồ nước ngọt tự nhiên của thế giới cần được bảo vệ.
Mặc dù chịu ảnh hưởng của 3 con sông thường xuyên chảy vào hồ nhưng nước hồ thường xuyên xanh và lưu thông với tốc độ dòng chảy 5m/s làm cho hồ Ba Bể vừa có tính chất sông vừa có tính chất hồ. Hồ có độ sâu trung bình từ 20 - 25m, nơi sâu nhất là 35m, nơi nông nhất cũng sâu từ 5 - 10m. Về mùa lũ mực nước hồ có thể dao động lên xuống từ 2,5 – 3m so với mức bình thường Đáy hồ không bằng phẳng mà có nhiều núi ngầm, hang động là nơi trú ngụ lý tưởng của các loài thuỷ sinh, động vật dưới nước.
Hồ Ba Bể có diện tích là 500ha có sức chứa bình quân 90 triệu m3 nước có vai trò rất lớn trong việc phân lũ cho lưu vực sông Năng, Sông Lô tỉnh Tuyên Quang. Khi lũ sông Năng lớn, hồ Ba Bể là nơi chứa nước; khi lũ hạ, nước hồ lại chảy ra sông Năng điều tiết giảm lũ cho các lưu vực sông Gâm, sông Lô tỉnh Tuyên Quang. Đây là một giá trị quan trọng của hồ.
Ba con sông, suối chính đổ nước về Hồ là Sông Tà Han, suối Bó Lù ở phía Tây, sông Chợ Lèng ở phía Tây Nam. Hệ thống sông suối này hợp thành hệ thuỷ phía Nam của VQG. Nước Hồ Ba Bể chảy theo hướng Nam - Bắc đổ ra sông Năng, chảy qua phần phía Bắc của VQG, sau đó tiếp tục chảy theo hướng Tây gặp sông Gâm ở phía Đông của tỉnh Tuyên Quang.
Vườn Quốc gia Ba Bể nằm trong tiểu vùng khí hậu của vùng Đông Bắc Việt Nam, lại được che chắn, bao bọc bởi các dãy núi cao như Phja Bjoóc và Phja Dạ nên khí hậu ở đây khá thuận lợi cho sự phát triển của các loài rừng nhiệt đới. Nhiệt độ trung bình hàng năm là 220C, nhiệt độ cao nhất trong ngày là 390C, nhiệt độ thấp nhất
là 60C, độ ẩm bình quân hàng năm là 83%, lượng mưa trung bình hàng năm là 1378mm.