Khu bảo tồn thiên nhiên Kẻ Gỗ bao gồm bờ phía nam hồ Kẻ Gỗ chạy dài đến biên giới tỉnh Quảng Bình. Địa hình là vùng trung du với đồi núi thấp phần lớn dưới 300 mét. Điểm cao nhất đạt 497 mét.[1] Những nguồn nước chính chảy ra ba phía. Ngòi nước phía bắc đổ về hồ Kẻ Gỗ (sông Rào Cái) rồi theo đó ra Cửa Sót. Ngòi phía tây nhập vào sông Ngàn Sâu và sông Lam ra Cửa Hội. Ngòi phía nam thì nhập vào sông Gianh thuộc tỉnh Quảng Bình.[1]