На территории заповедника развиты породы нижнего среднего и частично верхнего палеозоя. Преобладают протерозойские и палеозойские отложения из хлоритовых и серицитовых сланцев, мраморов, известняков, алевролитов, песчаников, залегают массивы гранитоидов. Более выположенные участки склонов покрыты курумами. Важную роль в формировании почвенного покрова играют многолетние мерзлотные породы.
В результате исследований почв заповедника был составлен их систематический список и почвенная карта. На площади 21,5%. на кислых метаморфических и изверженных породах развились подбуры тундровые. Подбуры таежные и буро-таёжные (буроземы грубогумусовые) также сформировались на кислых метаморфических и изверженных породах, их площадь составляет 31,1% и 7,2%, соответственно. Дерново-таежные кислые (дерново-бурозёмно-кислые) почвы развились на песчаниках (29,1%) и сланцах (0,4%). Подзолы иллювиально-железистые и иллювиально-гумусовые (подзолы иллювиально-гумусовые и многогумусовые) сформировались на песчаниках и занимают площадь 5,8%. Незначительные площади занимают: глеево-торфянисто-перегнойные (глеезёмы торфянисто-перегнойные таёжные), дерново-таёжные насыщенные (дерново-бурозёмные слабонасыщенные и насыщенные), дерново-карбонатные (включая выщелоченные и оподзоленные), горные примитивные, горно-луговые чернозёмовидные. Особенностью структуры почвенного покрова заповедника является почвы высокогорий. Здесь господствуют почвы с дерновыми мулльаккумулятивными горизонтами, которые обязаны своими происхождением травянистой растительности и умеренно-влажным климатическим условиям. На аллювиальных формах рельефа отрогов Кантегирского хребта формируются маломощные, гумусированные, слабодифференцированные почвы. Для них свойственно низкое содержание карбонитов, высокая степень щебнистости, и плохая сортированность материала. Основными процессами формообразования почв здесь являются торфообразование, дерновый процесс, гумуссирование, выщелачивание. Из почв гидроморфного ряда распространены лугово-болотные, болотные, аллювиальные неразвитые и дерново-аллювиальные. Они приурочены к долинам горных рек, шлейфам склонов и ложбинам стока.
На территории заповедника и его охранной зоны происходят несвойственные для гор Западного Саяна процессы почвообразования. В настоящее время они наблюдаются в полосе периодического затопления водохранилища Саяно-Шушенской ГЭС, которая характеризуется регулируемым в течение года стоком. Минимальный уровень воды (500 м над у.м.) наблюдается в апреле – начале мая, максимальный (540 м.) достигается в октябре. Колебания уровня воды в водохранилище составляет 40 м, это и есть полоса периодического затопления. В настоящее время здесь происходят почвообразование. Почвы зоны затопления, приуроченные к коренному берегу с темнохвойной тайгой, характеризуются как среднесуглинистые и легкосуглинистые. В зоне лесостепей гранулометрический состав среднесуглинистых и легкосуглинистых почв утяжеляется за счет увеличение доли глинистых фракций. Следов оглеения в формирующихся почвах не прослеживается, щебнистость почвенного профиля в большей степени выражена в левобережье водохранилища, что свидетельствует об активности обвальных и осыпных процессов на территории заповедника. Для почв зоны периодического затопления характерны: неструктурированность, высокая плотность, полное отсутствие почвенной фауны, подземной биомассы.
ГИДРОГРАФИЯ
Источником питания рек, озер заповедника служат грунтовые воды, атмосферные осадки и снежники. Подземные воды территории заповедника принадлежат к Западно-Саянскому гидрогеологическому массиву. Наибольшее распространение имеют два водоносных комплекса: нижнее-среднекембрийских интрузивных образований и нижнекембрийских отложений. В комплексе нижнее-среднекембрийских интрузивных образований водовмещающими породами являются трещиноватые габбро, плагиограниты и кварцевые диориты. Мощность комплекса несколько десятков метров. По условиям циркуляции воды относятся к трещинно-жильным, слабонапорным. Его водоносность невелика. Наиболее водоносен комплекс нижнекембрийских отложений, где водовмещающими породами служат доломитизированные известняки, песчаники, кремнистые сланцы, туфопесчаники. Воды этого комплекса служат основным подземным источником питания большинства водотоков.
По территории заповедника протекает и впадает в водохранилище несколько относительно крупных рек, протяженностью 25 и более км: Голая (56 км), Таловка (25 км), Узун-Суг (25 км), Малые Уры (34 км), Большие Уры (57 км), и около двух десятков более мелких рек. Крупные реки имеют многочисленные притоки. По рекам повсеместно наблюдаются наледи, особенно долго они держатся в глубоких ущельеобразных долинах рек – Калбак-Мыс, Чолбан-Мыс, ручье Толды-Чел и др. Питание рек смешанное, весной от таяния снегов, летом от атмосферных осадков, а также от наледей, тающих до середины лета, от горных озер и грунтовых вод. В течение всего летнего периода тают снежники, лежащие в наветренных склонах каров, воды которых стекают в озёра. Летние дожди, особенно ливневые, значительная крутизна склонов обуславливают быстрый подъем воды в ручьях и реках, вызывая высокие паводки, что способствует размыву берегов, переформированию отложений и образованию селевых потоков. Ледовые явления на малых реках и ручьях начинаются в ноябре, когда образуются забереги, снежница, шуга, ледяной покров. Реки покрыты льдом 140-170 дней, вскрытие происходит в конце марта — начале апреля и сопровождается 
ледоходом, но чаще лед тает на месте.
Река Енисей не входит в гидросеть заповедника и является лишь основным водосбором описываемой территории. Строительство плотины Саяно-Шушенской ГЭС на реке Енисей у Карлова створа обусловило появление одного из крупнейших в Сибири глубоководного водохранилища. Водохранилище горное и рассчитано на сезонное регулирование со сработкой до 40 м. Полный объем его по НПУ (нормальный полный уровень) составляет 31,3 км³, длина 289 км (120 км проходит вдоль территории заповедника). Наибольшая ширина 9 км, глубина в приплотинной части — 236 м. Створ плотины Саяно-Шушенской ГЭС замыкает площадь водосбора в 181 тыс. км². Главным фактором, определяющим биологический режим водохранилища, является резкое замедление скорости течения воды, что оказывает влияние на состав и обилие водной фауны и флоры, накопление донных отложений. Затопленная площадь долины реки Енисей в заповеднике составляет 4506 га (1,2% заповедной территории). В результате сезонного колебания уровня воды (40 м), формируется динамичный пойменный комплекс — полоса периодического затопления. Водохранилище Саяно-Шушенской ГЭС начало заполняться в 1978 году. К 1 января 1982 года оно достигло устья реки Ус, к 1983 году – устья реки Большие Уры, к 1984 году произошло его заполнение в пределах заповедника
В Западном Саяне широко распространены мерзлотные породы, они занимают более 50% площади региона. С мерзлотными проявлениями связано существование высокогорных террас в истоках реки Голая и высокогорных болот в истоках рек Кармыш и Отук-Суг в бассейне реки Большие Уры. В долинах рек, проработанных ледником, развились пойменные и низинные болота. Их можно наблюдать по рекам Ала-Аян, Узун-Суг (южный склон Осевого Саянского хребта), Таловка, Синяя – приток реки Голая (Северный склон Осевого Саянского хребта). Общая площадь болот составляет 1290 га.
С действиями ледника связанно развитие высокогорных и пойменных озер. В заповеднике их более 30 с общей площадью 910 га. Особенностью высокогорных озер в карах является отсутствие водной растительности, большая прозрачность и низкие температуры воды. Озера промерзают и вскрываются поздно.
КЛИМАТ И ВЕТРОВОЙ РЕЖИМ
По Осевому Саянскому хребту проходят границы между областями переноса атлантических и арктических воздушных масс. Этим обусловлено обилие осадков в заповеднике на наветренной части северного склона Осевого Саянского хребта и резкое снижение их количества в подветренной – на южном склоне Осевого Саянского хребта.
Таким образом, территория заповедника в климатическом отношении делится на две части: северную — гумидную, включающую северный склон Осевого Саянского хребта и восточный отрог Кантегирского, и южную – аридную, охватывающую южный склон Осевого Саянского хребта и северный Хемчикского. В связи с этим, наиболее увлажненная, северная часть заповедника принадлежит к циклонической провинции Алтае-Саянской области, а южная находится под воздействием полузасушливого, резкоконтинентального климата Центральноазиатской области. Наветренные северные склоны и высокогорья заповедника более увлажнены, среднегодовое количество осадков составляет 1235 мм, что определяет широкое развитие лесов. По мере продвижения на юг количество осадков значительно снижается (до 250 мм — 350 мм.), и здесь развиваются лесостепи и степи. Большая часть годовых осадков (70% — 90%) выпадает в теплый период года, с апреля по октябрь. Зимой из-за господства сибирского антициклона, на территории заповедника устанавливается сухая холодная, ясная погода.
Зимой в высокогорье преобладающие ветры имеют юго-восточное направление, летом – северное, в северной части низкогорья зимние ветры – юго-восточные, летние – западные. В южной части зимой преобладают юго-западные и западные ветры, летом – восточные, северо-восточные, что предопределено направлением долины Енисея, по которой движутся основные воздушные потоки.
ТЕМПЕРАТУРА ВОЗДУХА
Анализ среднемесячных и среднегодовых температур воздуха показывает значительную дифференциацию температурных режимов различных участков заповедника. Зимой (январь) наиболее низкие среднемесячные температуры наблюдаются в южной части низкогорья, в долине реки Енисей (-27,3°С), а наиболее высокие – в высокогорье (-19,5°С), что обусловлено температурной инверсией. Летом (июль) наблюдается обратная картина – самые высокие среднемесячные температуры отмечены в южной части низкогорья (17,8°С), а в высокогорье наблюдаются самые низкие (12,3°С). Среднегодовая температура воздуха изменяется следующим образом: в высокогорье это -3,9°С, в среднегорье -4,2°С, в северной части низкогорья -0,8°С, в южной части низкогорья -0,5°С. Абсолютный минимум температур воздуха на всей территории заповедника отмечается в январе и составляет: в высокогорье -41°С, в северной части низкогорья -48°С, в южной части низкогорья достигает -50°С. Абсолютный максимум, зафиксирован в июле: в высокогорье он составлял +32°С, в северной части низкогорья +37°С, в южной части низкогорья +39°С. Годовая амплитуда составляет в высокогорье 73°, а в низкогорье 89°.
СНЕЖНЫЙ ПОКРОВ
Средняя дата появления снежного покрова в низкогорье приходится на 28 октября, в высокогорье – на 13 сентября. Устойчивый снежный покров образуется в низкогорье 6-7 ноября и разрушается в первой декаде апреля, в высокогорье – соответственно 4 октября и 30 мая. Полный сход снежного покрова в южной части низкогорья отмечен 9 апреля, в северной – 21 апреля, в высокогорье – 7 июня. Продолжительность залегания снежного покрова в низкогорье составляет 150-165 дней, в высокогорье — 240 дней. Наибольшая высота снежного покрова отмечается в низкогорье в конце февраля и составляет в южной его части 24 см, а в северной – 37 см, в высокогорье же – во второй декаде апреля – 160 см. Многолетний средний максимум высоты снежного покрова в высокогорье равен 173 см, в северной части низкогорья – 42 см, в южной части – 27 см. Максимальная плотность снежного покрова наблюдается в период его разрушения и увеличивается от низкогорья к высокогорью с 0,16 до 0,37 г/см3. Также увеличивается и запас воды в снежном покрове с 35 до 451 мм.
БИОРАЗНООБРАЗИЕ
Исследования флоры Западного Саяна началось в начале ХХ века. Условно этот период можно разделить на два этапа: первый – 1914 г. — 1976 г. (до создания заповедника), второй после создания – 1976 г. и до настоящего времени.
Нынешние заповедные земли до их выделения под охрану посетило 4 исследователя, занимавшихся непосредственно изучением видового разнообразия флоры сосудистых растений: Х. Принтц, С.Г. Глуздаков, И.М. Красноборов, В.А. Смирнова. Изучением флоры сосудистых растений с момента создания заповедника и до 2017 года занималось 5 исследователей: Н.И. Голева, А.Е. Сонникова, В.Б. Куваев, Д.Н. Шауло, Н.В. Степанов.
Регулярные работы по изучению флористического богатства заповедника были начаты в 1978 г. В рамках ведения «Летописи природы» в 1981 — 1985 гг. была выполнена инвентаризация и для территории Саяно-Шушенского заповедника установлено 894 вида. Повторная инвентаризация флоры сосудистых растений была проведена в 1987 – 1989 гг. А.Е. Сонниковой под руководством и с непосредственным участием доктора биологических наук В.Б. Куваева — флориста, ботаника-географа, специалиста по лекарственным растениям и высотному распространению видов. Исследования проводились на территории заповедника (Хемчикский, Осевой Саянский хребты) и в охранной зоне (Иджирский хребет). В результате для территории заповедника было установлено 1027 видов сосудистых растений и выделено 12 высотно-ценотических групп (ВЦГ). Важным в работе было выделение нового пояса – гольцовых пустынь. На исследуемой территории он выделяется на высотах 2300 — 2600 м над уровнем моря и представлен фрагментарно.
В 2016 году подведены итоги очередной инвентаризации флоры. По материалам многолетних исследований для территории заповедника установлено:
— водоросли – 7 видов
— лишайники – 263 вида
— грибы – 245 видов
— мхи – 321 вид
— сосудистые растения – 1086 (1047 видов, 32 подвидов и 7 вариаций сосудистых растений).
Из этого количества 14 видов внесены в Красную книгу Российской Федерации, 98 видов – в Красную книгу Красноярского края, 75 видов отнесены к реликтовым формам, 13 видов являются эндемиками Западного Саяна.
Древесный ярус таежной зоны образуют сосна сибирская (кедр), сосна обыкновенная, лиственница сибирская, пихта сибирская, ель обыкновенная, береза повислая, ива козья, рябина сибирская, осина. Кустарниковый ярус представлен черемухой обыкновенной, бузиной сибирской, свидиной белой, смородиной темно-пурпурной, крыжовником игольчатым, рододендроном даурским, багульником болотным, караганой древовидной. Из кустарничков в этой лесорастительной зоне отмечены: брусника, линнея северная, эфедра односемянная. В травянистом ярусе можно встретить седмичник европейский, грушанку копытолистную, горец развесистый, пион уклоняющийся, Иван-чай, борщевик рассеченный, недотрогу обыкновенную, клопогон вонючий, бадан толстолистный, борец северный, очиток тополелистный.
В лесостепной зоне встречаются сосна обыкновенная и тополь лавролистный. Кустарниковый ярус образован таволгой средней, жимолостью алтайской, шиповником иглистым, караганами – карликовой и алтайской. В травянистом ярусе обычны ломонос этузолистный, проломник северный, спорыш птичий, донник белый, мак Куваева, тысячелистник азиатский, лютик однолистный, подмаренник настоящий, очиток гибридный.
Флора степной зоны представлена караганой карликовой, барбарисом сибирским, полынью холодной, панцерией серебристой, фиалкой рассеченной, астрой альпийской, лапчаткой бесстебельной.
Расположение заповедника на стыке горных систем вблизи обширных степных территорий, его значительная широтная и высотная протяженность, разнообразие ландшафтов и микроклиматических условий обусловливаютразнообразие животного мира.
Для лесной зоны характерны и многочисленны такие виды, как соболь и белка, сибирская кабарга, медведь, марал, реже встречаются рысь, росомаха и лось. Обычны в таежной зоне заяц-беляк, пищуха, глухарь, рябчик.
Фоновым видом горной лесостепи является сибирский горный козел, в ареале которого обитает снежный барс (ирбис). На малоснежных участках лесостепной зоны обитают волк, кабан, косуля сибирская, алтайский улар, бородатая куропатка. В степной зоне очень редко встречаются манул, каменная куница.
У верхней границы леса и в горной тундре обитают северный олень, тундряная и белая куропатки. Границы лесорастительных зон, как и границы распространения видов, в известной мере условны, для копытных животных и крупных хищников лимитирующим фактором среды обитания является высота снегового покрова.
Редки для заповедника барсук, лисица, горностай, ласка, выдра.
По берегам водохранилища стабильно гнездится скопа, внесенная в Красную книгу Российской Федерации.
Количество видов:
— насекомые – 777 видов
— рыбы – 21 вид
— земноводные – 3 вида
— пресмыкающиеся – 6 видов
— птицы – 258 видов
— млекопитающие – 61 вид
РЕДКИЕ ВИДЫ
В заповеднике обитают редкие виды, занесенные в Красные книги разных рангов
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ:
- млекопитающие – 3 вида;
- птицы – 17 видов;
- сосудистые растения – 14 видов;
- мхи – 1 вид;
- лишайники – 3 вида.
КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ:
- млекопитающие – 8 видов;
- птицы – 44 вида;
- пресмыкающиеся – 1 вид;
- насекомые – 12 видов;
- сосудистые растения – 98 вида;
- мхи – 23 вида;
- лишайники – 9 видов;
-
грибы – 3 вида.
