Территория парка занимает центральную часть Заилийского Алатау с очень сложным рельефом. Из-под горных долин видно, что от главного водораздельного хребта отходит много островершинных гребней второго порядка, разделяющих основные речные бассейны. Последние гребни ветвятся и создают систему отрогов более мелких порядков. Такое морфологическое строение определяет направление главных рек, стекающих с северного склона. Они относятся к бассейну р. Или. Однако большинство из них, выйдя на равнину, вскоре теряются в наносах, причём основная часть стока расходуется человеком на коммунальные, технические и сельскохозяйственные нужды.

Климат Климат в национальном парке разнообразен и дифференцирован по высотным климатическим поясам. Лето тёплое, зима мягкая из-за резко выраженной инверсии температуры воздуха. В предгорьях средняя температура января −7,4°С, июля +23°С, продолжительность безморозного периода составляет 181 день, в год выпадает 560 мм осадков. В Малоалматинском ущелье (урочище Медеу) на высоте 1530 м температура января −4,3°С, июля +18,1°С, продолжительность безморозного периода составляет 145 день, в год выпадает 843 мм осадков. На высоте 3035 м (урочище Мынжилки) в условиях вечных снегов и ледников средняя температура января −11,3°С, июля +7°С, продолжительность безморозного периода составляет 53 дня, в год выпадает 734 мм осадков. В высокогорной части Заилийского Алатау на высоте 3750 м климат суровый, здесь выпадает много осадков — 800—1300 мм, в основном в виде снега. Тёплый период очень короткий — средняя температура воздуха на ледниках летом не превышает +2,8°С. Снег по многолетним наблюдениям в предгорьях (850 м) устанавливается 6 декабря, в среднегорье (1200—2500 м) — на месяц раньше, в высокогорье (3000 м) — 21 октября. Весной снег сходит на разных высотах и в разные горы с 10 марта по 22 мая. Число дней со снежным покровом на разных высотах варьируется от 111 до 236. Высота снежного покрова в предгорьях около 30 см, в среднегорье и высокогорье может достигать 100 см. Заилийский Алатау встаёт высоким передовым барьером на пути северных и северо-западных влагонесущих воздушных масс, которые свободно проникают по основным долинам вглубь гор, обуславливая чёткую дифференциацию природных ландшафтов на высоте. Территория парка охватывает низкогорные, среднегорные и высокогорные ландшафты, которые отражают ярусное строение гор.

Рельеф расположен в интервале высот от 600 до 4540 м над уровнем моря. Самая высокая вершина — пик Конституции (4540 м), вторая по величине — пик 25 лет Казахстана (4494 м). Ещё несколько десятков вершин превышают четырёхкилометровую высоту.