Канівщина — один із найцікавіших в геологічному аспекті районів рівнинної України. Після відступу останнього харківського моря (більш як 20 млн. років тому) відбувались поступові неотектонічні підняття. Водночас із цим інтенсивно йшли процеси поверхневої денудації, тобто руйнування і перенесення гірських порід під дією різних агентів утворення горизонтальних шарів континентальних неоген-антропогенових відкладів. Окрім цього, виділився район, де на сильно еродованій поверхні рівнини харківського віку відклався алювій Дніпра. Пізніше ці ділянки були складно дислоковані завдяки дії тектонічних та гравітаційних процесів, а поверхнева ерозія (льодовик та його талі води, поверхневий стік), надавши їм сучасного вигляду, перетворили на так звані Канівські гори.

На даний час Канівський природний заповідник складається із трьох різнорідних у геологічному та геоморфологічному відношенні частин. Найбільша із них — ділянка правого корінного берега р. Дніпро. Вона являє собою власне ділянку трилесової дислокованої тераси і приурочена до Канівського блоку горсту. Для неї характерні найбільші абсолютні відмітки висот (255 м н.р.м.)

Ці підняття, включаючи Бучацько-Трахтемирівський, Канівський, Мошногірський масиви на значних відстанях контактують із досить зниженими масивами суходолу — долинами річок Дніпро, Рось, Росава, Вільшанка (75-90 м н.р.м.). Такий великий місцевий базис ерозії (150-170 м), наявність потужних поверхневих відкладів лесовидних суглинків за умов нераціонального ведення господарства спричинили інтенсивний розвиток поверхневої ерозії. Тут чи не найдовші та найглибші у Східній Європі системи ярів.

Клімат в районі заповідника континентальний із теплим сонячним літом та помірно холодною зимою. Кількість опадів в середньому складає 630 мм на рік.
За 50-річний період спостережень, які проводяться на метеорологічній станції заповідника, абсолютний максимум температур (+37,6 о С) зафіксовано 20 серпня 1946 р., абсолютний мінімум (-31,3 о С) — 11 січня 1950 р.
Середня тривалість безморозного періоду становить 198 днів.
Переважна більшість опадів випадає влітку (близько 70% річної суми). Для літа характерні зливи.
Щороку формується сніговий покрив.
В розі вітрів переважають північно-західні та південно-східні напрями.
Зима триває з кінця листопада до початку березня. Часто при проникненні арктичних мас мороз може сягати -25-32о С.
Вітер із заходу приносить тепле морське атлантичне повітря, що зумовлює тривалі відлиги.
Сніговий покрив формується щороку, але він невеликий (15-30 см) і дуже нестійкий. Максимальна висота снігового покриву (760 мм) зафіксована 10 березня 1987 р.
Для весни характерна нестійка погода. Останні снігопади бувають навіть в кінці квітня, тоді як в окремі дні березня ртутний стовпчик може підніматися до +18-22оС. В травні часто дмуть східні та південно-східні суховії, і тоді температура піднімається до +30о С.

Літо наступає в третій декаді травня, а закінчується в першій половині вересня. Переважають теплі погожі дні, хоча досить часто в другій половині дня бувають інтенсивні грози і зливи. Нерідко температура підвищується до +32-34оС.
Перехід до осені майже непомітний. У вересні переважають сухі сонячні дні, і навіть у жовтні вдень температура може підійматися до +18-22оС. Але вже в кінці вересня на поверхні грунту починаються заморозки, а в листопаді тихі прохолодні дні із ранковими туманами часто змінюються на дощові і вітряні, звичайним є випадання опадів у вигляді снігу.
За виключенням кількох невеликих джерел і струмків, внутрішні водойми в заповіднику відсутні. Основу гідрографічної мережі заповідника складає Дніпро, який протікає в його межах на протязі 5 км.
До спорудження Канівської ГЕС максимальна амплітуда річного рівня води складала 991 см, мінімальна — 126 см, середня — 410 см.

Середня дата початку льодоставу — 21 грудня, тривалість безльодового періоду — 248 днів. Максимальна товщина льоду (50-60 см) — в березні, найтепліша вода (до 23,8оС) — в кінці липня - на початку серпня.
Діяльність гідроелектростанції внесла дуже суттєві корективи в заплавні екосистеми заповідника. В межень і при затримці води греблею водосховища навколо о-вів Круглик та Шелестів оголюються велетенські піщані коси, а протока між островами практично зникає. В цей час площа островів збільшується майже вдвічі. В багатоводні роки під час різкого скидання води із водосховища та в період весняної повені острів Круглик на 2/3 затоплюється.

Разом з тим діяльність ГЕС різко посилила ерозійні процеси як на заплавних, так і на Зміїних островах.
В нагірній частині заповідника за останні 70 років різко знизився рівень грунтових вод, що призвело до висихання ряду водойм і джерел. Це явище прогресує і тепер.
В районі заповідника на протязі всієї зими практично відсутній льодовий покрив.

Влітку, в результаті утворення гігантського водосховища, звичайним явищем стало “цвітіння води” — масове розмноження синьо-зелених водоростей.
Своєрідність проявів чинників грунтотворення зумовлює надзвичайну різноманітність грунтів на території Канівського природного заповідника. Під час інвентаризації грунтів, проведеної в ході грунтово-лісотипологічного обслідування, виділено 36 різновидів грунтів.

Найбільша строкатість грунтового покриву існує в нагірній частині заповідника, в окрузі Канівських дислокацій, де внаслідок складності геологічної будови мозаїчно розташовані різноманітні материнські породи, а під впливом неоднорідностей рельєфу на невеликих відстанях створюються мікрокліматичні контрасти. Тут панують сірі лісові грунти (різних підтипів), що є доказом того, що в минулому лісова рослинність превалювала над степовою. Ці грунти утворені внаслідок підзолоутворюючого процесу в умовах помірно-континентального клімату на карбонатних лесах і лесовидних породах під впливом широколистяних лісів. Грунтовий профіль різко диференційований на генетичні горизонти: накопичення органічних речовин (гумусово-елювіального), виносу (елювію) і вмиву (ілювію).

При домінуванні лесових грунтоутворюючих порід в межах дислокованої території заповідника спостерігається часте перемежовування їх з виходами корінних порід, які стали основою для утворення дернових неопідзолених і слабоопідзолених грунтів, частіше всього приурочених до вершин високих пагорбів і схилів вододілів.

На Зміїних островах, що являють собою залишок борової тераси, грунтоутворюючою породою виступають флювіо-гляціальні піщані відклади, на яких утворились дернові і дерново-підзолисті грунти різного ступеня опідзоленості. В межах контурів цих збіднених на поживні речовини грунтів переважають деревостої сосни звичайної. Місця похованої під піщаними відкладами лесової товщі заліснені більш вимогливими до місця зростання породами (дуб, граб).

Шелестові землі — це острівного типу участки, які місцями сильно порізані старими річищами, гривистими утвореннями і мікрозниженнями.
Грунтоутворюючі породи тут сучасно-алювіальної природи, шаруваті, переважно легкосупіщаного механічного складу, на яких при участі злаково-різнотравної рослинності проходить дерновий процес грунтотворення. В місцях знижень, характерних накопиченням дрібнозернитого піска і мулуватих часток, на дернових розвинених грунтах рослинність представлена деревостоями верби і тополі. По днищам старих річищ і в мікрозниженнях спостерігається накопичення торфу та мулу.

Грунти заплавного острова Круглика малорозвинені, наймолодші за віком, бо на їх розвиток постійно впливала розмивна дія Дніпра.