Vƣờn Quốc gia Tam Đảo chiếm giữ toàn bộ hệ núi Tam Đảo, có cấu tạo hình khối đồ sộ, nằm ở phía bắc đồng bằng Bắc Bộ, chạy dài theo hƣớng tây- bắc – đông nam.Cả khối núi có đặc điểm chung là đỉnh nhọn, sƣờn rất dốc, độ chia cắt sâu và dầy.
Chiều dài khối núi gần 80km, có gần 20 đỉnh cao sàn sàn trên 1000m đƣợc nối với nhau bằng đƣờng dông núi sắc, nhọn. Đỉnh cao nhất là đỉnh Nord (1592m) là ranh giới địa chính của ba tỉnh Vĩnh Phúc, Tuyên Quang và Thái Nguyên. Chiều ngang biến động trong khoảng 10-15km. Núi cao, bề ngang lại hẹp nên sƣờn núi rất dốc, bình quân 25-35 độ, nhiều nơi trên 35 độ nên rất hiểm trở và khó đi lại.
Dựa vào độ cao, độ dốc, địa mạo có thể phân chia dãy núi Tam Đảo thành bốn kiểu địa hình chính:
- Thung lũng giữa núi và đồng bằng ven sông suối: độ cao tuyệt đối <100m, độ dốc cấp I (<7 ). Phân bố dƣới chân núi và ven sông suối.
- Đồi cao trung bình: Độ cao tuyệt đối 100-400m. Độ dốc cấp II (8 – 15 ) trở lên. Phân bố xung quanh chân núi và tiấp giáp với đồng bằng.
- Núi thấp: Độ cao tuyệt đối 400 – 700m. Độ dốc trên cấp III (16 – 26 ). Phân bố giữa hai kiểu địa hình đồi cao và núi trung bình.
- Núi trung bình: Độ cao tuyệt đối >700m – 1590m. Độ dốc > cấp III. Phân bố ở phần trên của khối núi. Các đỉnh và đƣờng dông đều sắc và nhọn.
Nhƣ vậy có thể nói địa hình Tam Đảo cao và khá đều (cao ở giữa và thấp dần về hai đầu nhƣng độ chênh không rõ), chạy dài gần 80km theo hƣớng tây- bắc - đông – nam nên nó nhƣ một bức bình phong chắn gió mùa đông-bắc tràn về đồng bằng và trung du Bắc Bộ, Vì vậy ảnh hƣởng lớn đến chế độ khí hậu và thủy văn trong vùng. (Nguồn: FIPI, 1992: Báo cáo Lập địa Khu Bảo tồn thiên nhiên Tam Đảo)
Khí hậu:
Dãy Tam Đảo là dãy núi lớn, bao gồm một vùng lãnh thổ rộng và có sự phân hóa theo độ cao rất đa dạng, vì vậy khái quát hóa các đặc trƣng khí hậu toàn vùng không phải là vấn đề đơn giản. Nhƣng dựa trên các số liệu khí tƣợng của trạm Tam Đảo và các trạm xung quanh (Tuyên Quang, Vĩnh Yên, Đại Từ) các nhà nghiên cứu có thể để đƣa ra các nhận định khái quát cho toàn vùng nhƣ sau:
- Nhiệt độ không khí: Bình quân nhiều năm khoảng 18,3 C, nhiệt độ không khí trung bình cao nhất nhiều năm là 21,4 C. nhiệt độ không khí trung bình thấp nhất nhiều năm là 16,4 C. Nhiệt độ cao nhất tuyệt đối là 33,4 C, nhiệt độ thấp nhất tuyệt đối là 0 C. Chênh lệch nhiệt độ ngày đêm khá lớn, khoảng 10-15 C.
- Lƣợng mƣa năm: Trung bình nhiều năm là 2355mm, cao hơn nhiều so với lƣợng mƣa bình quân cả nƣớc (1960mm/năm) và của tỉnh Vĩnh Phúc (1500-1800mm/năm).
- Lƣợng mƣa ngày lớn nhất đạt 318,6mm. Bình quân hàng năm có khoảng 203 ngày mƣa, tập trung chủ yếu trong tháng 6. Mùa mƣa ở Tam Đảo kéo dài hơn so với các nơi khác của tình Vĩnh Phúc (5 tháng). Mỗi năm xuất hiện bình quân 60 ngày có dông. Một vài năm còn xuất hiện hiện tƣợng mƣa đá.
- Độ ẩm: Độ ẩm tƣơng đối bình quân nhiều năm là 87,7%; độ ẩm tƣơng đối trung bình thấp nhất bình quân nhiều năm là 76,2%; độ ẩm tƣơng đối thấp nhất tuyệt đối là 6%. Độ ẩm tuyệt đối trung bình là 19,1%.
- Sƣơng mù: Hàng năm bình quân có 118 ngày có hiện tƣợng sƣơng mù. - Số giờ nắng: Một năm bình quân có 1212 giờ.
- Tổng lƣợng bốc hơi: Bình quân nhiều năm là 512mm, là khá thấp so với bình quân bốc hơi toàn quốc.
- Tốc độ gió: Bình quân là 3,0m/s; tốc độ gió cực đại đến 30m/s. Nhìn chung các đặc trƣng khí hậu Tam Đảo 2 tƣơng tự khu Tam Đảo 1. Sự khác nhau chút ít về nền nhiệt độ và độ ẩm là do mức cao địa hình gây nên. (Nguồn: Đặng Trung Thuận 2017: Báo cáo đánh giá tác động môi trường sơ bộ Dự án xây dựng khu du lịch sinh thái bền vững Tam Đảo).
Trong khu vực có hai hệ thống sông chính, đó là sông Phó Đáy ở phía tây (Tuyên Quang, Vĩnh Phúc) và sông Công ở phía đông (Thái Nguyên). Đƣờng phân thủy rõ rệt nhất của hai hệ thống sông này là đƣờng dông nối các đỉnh núi suốt từ Mỹ Khê ở cực nam đến Đèo Khế ở điểm cực bắc.
Mạng lƣới sông suối hai sƣờn Tam Đảo dồn xuống hai hệ thống sông này có dạng chân rết khá dày đặc và ngắn, có cấu trúc dốc và hẹp lòng từ đỉnh xuống chân núi. Từ chân núi trở đi sông lại có dạng uốn khúc phức tạp trên mặt cánh đồng khá bằng phẳng, tƣơng ứng với dạng địa hình đã tạo ra nó.
Mật độ sông suối khá dày (trên 2km/km2), các suối có thung lũng hẹp, đáy nhiều ghềnh thác, độ dốc lớn, khả năng điều tiết nƣớc kém, chúng là kết quả của quá trình xâm thực.
Do đặc điểm khí hậu mƣa lớn, mùa mƣa dài, lƣợng bốc hơi ít (ở đỉnh Tam Đảo) nên cán cân nƣớc dƣ thừa. Đó là nguyên nhân làm cho các dòng chảy từ đỉnh Tam Đảo xuống có nƣớc quanh năm.
Nhƣng chế độ thủy văn lại chia thành hai mùa khá rõ rệt: mùa lũ và mùa cạn. Mùa lũ trùng với mùa mƣa (từ tháng 4 đến tháng 10), mùa cạn từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau. Lũ lớn thƣờng xảy ra vào tháng 8, lũ thƣờng tập trung nhanh và rút cũng nhanh. Sự phân phối dòng chảy rất không đều giữa hai mùa :
Nhƣ vậy lƣu vực sông Phó Đáy lớn hơn sông Công và tổng lƣợng nƣớc chảy cũng lớn hơn sông Công. Độ chênh lệch lƣợng nƣớc chảy mùa lũ và mùa cạn cũng rất lớn. Mô đun dòng chảy các mùa cũng thay đổi rất đáng kể.
- Lƣu lƣợng dòng chảy lớn nhất tuyệt đối là 331m3/s, so với lƣu lƣợng nhỏ nhất tuyệt đối 3,7m3/s thì lớn gấp 90 lần.
- Độ đục lớn nhất 541g/m3, gấp 100 lần độ đục nhỏ nhất.
- Lƣợng bùn cát lơ lửng 3,2kg/s với tổng lƣợng bùn cát là 101.000T/năm - Môđun xâm thực trên sông Phó Đáy tới 84,8T/km2.
Dòng chảy mùa cạn do không có mƣa to nên nguồn nƣớc cung cấp cho sông hoàn toàn là do nƣớc ngầm (phụ thuộc vào lớp vỏ phong hóa địa chất và lƣợng mƣa phùn mùa đông). Cả hai sông đều có dòng chảy rất nhỏ. Nhƣ vậy khả năng cung cấp nƣớc cho mùa đông là rất hạn chế.
Các dòng sông suối trong vùng không có khả năng vận chuyển thủy, chỉ có thể dùng làm nguồn thủy điện nhỏ cho từng gia đình dƣới chân núi.
Trong vùng cũng có những hồ chứa cỡ lớn nhƣ Hồ Núi Cốc, Hồ Đại Lải, các hồ cỡ trung bình hoặc nhỏ nhƣ Hồ Xạ Hƣơng, Khôi kỳ, Phú Xuyên, Linh Lai, Hồ Sơn,…Đó là nguồn dự trữ nƣớc khá phong phú phục vụ nhu cầu dân sinh và sản xuất của nhân dân trong vùng. (Nguồn: FIPI, 2002, 2005: Báo cáo Lập địa Khu Bảo tồn thiên nhiên Tam Đảo và Luận chứng khả thi xây dựng VQG Tam Đảo).