保护区位于山西省中南部,沁源县西南部与古县、霍州市交界处的太岳山脉中段深山腹地,西靠主脉霍山,北接绵山,南近黄梁山,东临沁洪公路。保护区行政区划隶属于沁源县灵空山镇、韩洪乡和古县北平镇。保护区境内山岩地质主要为奥陶系白云岩、石灰岩夹页岩、石灰岩、白云质灰岩、泥灰岩和寒武系石灰岩、白云岩、页岩、砂岩的并层,少量太古界变质杂岩。地貌属于大起伏喀斯特侵蚀中山地貌,由于地质构造运动强烈,地壳发生变异,大面积基岩裸露,沟谷切割较深。灵空山山中心三条沟壑交汇,形成一片奇险的深谷。整个地势东、北、西三面高,南面低,呈簸箕形。境内海拔高度在1356m~2056m之间,平均海拔高度约为1600m,最高山峰海拔为2056m。