Đoạn tuyến được thiết kế đi theo thung lũng dọc sông Bưởi. Dọc theo hai bờ sông là cánh đồng trồng hoa màu theo dải hẹp có mặt phẳng nghiêng hoặc bậc thang nằm giữa một bên là núi đá cao, một bên là sông.
Núi đá vôi xung quanh khu vực có độ cao không lớn (khoảng từ 50m đến 200 - 300m). Nhìn chung, địa hình cao dần về phía tây, tây bắc. Các núi đá vôi với những thành dốc đứng, cheo leo, hiểm trở và thường bị phủ kín bằng rừng rập rạp. Núi với trầm tích lục nguyên thường có sườn thoải, đỉnh tròn làm thành các dải núi trọc hoặc rừng thưa thớt. Hầu hết ở khu vực tuyến đường đi qua núi có hướng tây bắc - đông nam. [1]
Sông Bưởi nằm ở tuyến đường Hồ Chí Minh từ Km90 - Km100, có hướng gần kinh tuyến Bắc - Nam với nhiều đoạn uốn khúc. Sông Bưởi xem như ranh giới tự nhiên phân cách vùng Tây Bắc với phần trung tâm của rừng Cúc Phương. Mặc khác, chính con sông Bưởi đã làm tăng thêm sự phân dị của địa hình với những núi cao và thung lũng sâu. Ngoài ra, cũng chính con sông Bưởi đã tạo nên thềm sông, thung lũng sông, nơi có đường giao thông (con đường mòn bằng đất cũ trước khi xây dựng đường Hồ Chí Minh) qua rừng Cúc Phương ở phần phía Tây bắc để tới địa phận tỉnh Thanh Hóa.
Đi từ cầu Ân Nghĩa ở Km92+00 đến cầu Ngang ở Km100+00 gặp nhiều đoạn núi đá hoặc ở bờ phải hoặc ở bờ trái ra sát bờ sông, nhiều đoạn đường giao thông phải uốn lượn ra sát bờ sông.