Заповедник тянется вдоль побережья Чёрного моря от Фороса до Гурзуфа на 40 км, с максимальной шириной 23 км с севера на юг. В его состав входит часть побережья моря. Самая высокая точка заповедника, гора Рока, высотой 1349 м. Географически заповедник расположен в пределах Главной горной гряды Крымских гор и частично в Крымской южнобережной субсредиземноморской области.

Заповедник охватывает южный склон Главной гряды, простирающийся с юго-запада на северо-восток. Он состоит из пород разных возрастов: от тёмно-серых триасовых сланцев до юрских известняков и четвертичных лёссов. Верхние и средние части склонов крутые и обрывистые, а нижние, пологие и изрезаны долинами и ущельями.

Верхняя часть гряды занята яйлами Ай-Петринской и Ялтинской, представляющими собой холмистое плоскогорье шириной от нескольких сотен метров до 5-7 км с карстовыми впадинами. На территории заповедника насчитывается около 200 карстовых пустот.

Климат в нижней части заповедника близок к средиземноморскому, а в верхней части умеренный и влажный. Среднегодовая температура составляет +13 °C, в январе +3,5 °C, в июле +24 °C. Безморозный период длится 247 дней, снежный покров держится в среднем 11 дней, а годовое количество осадков составляет 550-560 мм. На яйлах климат умеренно прохладный горный: среднегодовая температура +5,7 °C, в январе -4 °C, в июле +15,4 °C. Безморозный период длится 150-160 дней, снежный покров держится 110 дней, а годовое количество осадков составляет 960-1050 мм.

Леса занимают около 75 % территории заповедника, и их можно разделить на три основных пояса. Первый пояс, на приморских склонах до высоты 400-450 м, представлен лесами дуба пушистого с можжевельником и фисташкой. После вырубок здесь часто появляются заросли держидерева и грабинника. Второй пояс, от 400 до 900 м, состоит из лесов сосны крымской с дубом, грабом и ясенем. Третий пояс, выше 900 м, представлен сосново-буковыми лесами. На яйлах преобладают горно-степные и луговые сообщества.

В заповеднике произрастает около 1363 видов сосудистых растений, что составляет 65 % видов Горного Крыма и 28 % видов Украины. Среди них много эндемиков, таких как гвоздика низкая, вьюнок крымский и пион крымский. Также здесь встречается 78 видов редких растений, занесённых в Красную книгу Украины, включая можжевельник высокий и фиалку крымскую.

Фауна позвоночных менее разнообразна, чем флора. Здесь обитает 150 видов птиц, включая сапсана и орла-могильника, 37 видов млекопитающих, таких как косуля и муфлон, 16 видов рептилий, включая крымского геккона, и 4 вида земноводных. Некоторые животные, как большой подковонос и барсук, занесены в Красную книгу Украины. Беспозвоночные представлены насекомыми, такими как махаон и сатир эвксинский.

Ялтинский горно-лесной заповедник был создан 20 февраля 1973 года на базе Ялтинского лесхоза. В 1992 году он получил нынешнее название. Площадь заповедника на 2013-2014 годы составляла 14 523 га. После присоединения Крыма к России заповедник был национализирован и передан в ведение различных ведомств, а в 2018 году получил федеральный статус и перешёл под управление Минприроды России. Площадь заповедника была изменена до 14 459,5783 га.