Заповедник расположен на юге Центральной Сибири, в центральной части западного склона хребта Кузнецкий Алатау, на территории Тисульского, Новокузнецкого и Междуреченского районов Кемеровской области.

Он занимает около 5 % площади Кемеровской области и находится на западном склоне хребта Кузнецкий Алатау в пределах трех административных районов: Тисульского (95 110 га), Новокузнецкого (233 682 га) и Междуреченского (73 020 га).

Горная система Кузнецкого Алатау занимает около одной трети территории Кемеровской области. Не представляя собой единого хребта, она сочетает в себе горные массивы средней высоты, разобщенные глубокими речными долинами. Наибольшее расчленение Кузнецкого Алатау наблюдается в его южной части, в районе хребтов, расположенных в верховьях рек Усы, Черного и Белого Июса, Верхней и Средней Терсей.

На западе заповедник ограничен Кузнецкой котловиной, а на востоке — административной границей с Республикой Хакасия. На юге граничит с бассейном реки Уса, на севере четкой границы не имеет. Поднебесные Зубья, вопреки распространенному мнению, в состав заповедника не входят.