Địa hình khu vực khảo sát là vùng núi thấp ở phía nam của giải Trường Sơn Bắc với dãy núi cao trên 1000 m chạy theo hướng Tây Bắc- Đông Nam dọc ranh giới hai tỉnh Quảng Bình và Quảng Trị. Về phía Quảng Trị địa hình nâng cao hơn, chia cắt mạnh, độ dốc cao phổ biến từ 15-25o, có nhiều nơi, nhiều chỗ dốc đứng. Trong khu vực có các đỉnh cao điển hình như: Động Sa Mù (1550m) gần đỉnh đèo Sa Mù và Động Voi Mẹp/Voi nằm (1771m) ở phía đông nam khu bảo tồn. Trong khu vực ngoài đồi, núi đất chiếm đa số còn lại có hai dãy núi đá vôi. Ở gần trung tâm là dãy đá vôi chạy theo hướng Đông- Tây, ranh giới hai xã Hướng Lập và Hướng Việt, gần trung tâm xã Hướng Việt có dãy núi đá vôi chạy theo hướng Bắc-Nam.
Khu vực nghiên cứu nằm trên hệ địa máng-uốn nếp Caledon Việt Lào ở Bắc Trung Bộ, giới hạn bởi đứt gãy sâu Sông Mã ở phía bắc và đứt gãy sâu Tam Kỳ-Hiệp Đức ở phía nam. Các phức hệ địa máng phát triển từ kỷ Cambri (có thể từ Sini) cho đến cuối Silur hoặc đầu Đevon. Trên chúng đã hình thành các lớp phủ nền trẻ Epicaledon Paleozoi giữa-muộn, cũng như các võng
chồng hoạt hoá-tạo núi trong Mesozoi-Kainozoi. Hầu hết các núi trung bình được cấu tạo bởi đá Granit phân bố khá phổ biến trong vùng. Các núi thấp được cấu tạo bởi đá trầm tích lục nguyên tuổi Ocdovic-Silur gồm có cát kết Mica, cát kết phân phiến, bột kết và sét kết phân phiến bị biến chất yếu ở dạng Xirixit. Ngoài đá Granit nêu trên là các đá biến chất yếu tuổi Cambri-Ordovic hạ bao gồm phiến thạch kết tinh, phiến thạch Xirixit, Pyrit, cát kết bị quarzit hoá (Theo bản đồ địa chất Việt Nam).
Hình 3.1. Mô hình không gian KBTTN Bắc Hướng Hóa
Trong phạm vi khu vực nghiên cứu có các loại đất sau:
Đất Feralit đỏ vàng vùng đồi và núi thấp phát triển trên đá trầm tích và biến chất có kết cấu hạt mịn.
Đất Feralit vàng nhạt vùng đồi phát triển trên đá trầm tích và biến chất có kết cấu hạt thô.
Đất Feralit mùn vàng đỏ núi trung bình phát triển trên đá trầm tích và biến chất có kết cấu hạt thô.
Đất Feralit vàng nhạt núi thấp phát triển trên đá hỗn hợp.
Đất Feralit vàng đỏ núi trung bình phát triển trên đá phún xuất tính chua.
Đất Feralit mùn vàng đỏ núi trung bình phát triển trên đá phún xuất tính chua.
Đất phù sa sông suối.