Cúc Phương nằm ở phía đông nam của dãy núi Tam Điệp, một dãy núi đá vôi chạy từ tỉnh Sơn La ở hướng tây bắc. Dải núi đá vôi này với ưu thế là kiểu karst tự nhiên, hình thành trong lòng đại dương cách đây khoảng 200 triệu năm. Dãy núi này nhô lên đến độ cao 636 m tạo thành một nét địa hình nổi bật giữa một vùng đồng bằng. Phần dãy núi đá vôi bao quanh vườn quốc gia có chiều dài khoảng 25 km và rộng đến 10 km, ở giữa có một thung lũng chạy dọc gần hết chiều dài của dãy núi. Địa hình karst ảnh hưởng rõ nét đến hệ thống thủy văn của Cúc Phương. Phần lớn nước trong vườn quốc gia bị hệ thống các mạch nước ngầm hút rất nhanh, nước sau đó thường chảy ra ở những khe nhỏ ở bên hai sườn của vườn quốc gia. Do vậy, không có các ao hồ tự nhiên hay các thủy vực tĩnh nằm trong vườn, mà chỉ có một dòng chảy thường xuyên là sông Bưởi. Con sông này nằm ở phía tây của vườn, chảy đổ vào sông Mã. Rừng Cúc Phương còn đóng vai trò bảo vệ đầu nguồn hồ chứa nước Yên Quang. Hồ cung cấp nước cho sinh hoạt và sản xuất nông nghiệp các vùng lân cận.