Несмотря на небольшую площадь (свыше 1300 гектаров), территория музея-заповедника Дивногорье отличается чрезвычайным разнообразием ландшафтных комплексов. Плакорный тип местности занимает водораздельное плато, узким языком заходящее на территорию музея-заповедника между Голой балкой и рекой Дон. Поверхность водораздела имеет хорошо выраженную волнистость, образованную многочисленными ложбинами стока. Однообразную равнинность рельефа изредка нарушают одиночные и слабооформленные западины. Склоновый тип местности является ключевым в системе ландшафтов Дивногорья. Он охватывает крутые долинные склоны реки Дон и современную овражно-балочную сеть. Меловые останцы Дивы и меловой овраг Каньон также относятся к склоновому типу местности. Пойменный тип местности охватывает поймы рек Тихая Сосна и Дон. Характерную черту речных долин среднерусской лесостепи составляет пульсация пойм — чередование озеровидных расширений и сужений.
Рельеф
Основные элементы рельефа нынешнего Дивногорья начали формироваться в эпоху миоцена (23 — 5 миллионов лет назад), когда палеогеновое море (22 миллиона лет назад) отступило и его дно превратилось в равнину. Постепенно под воздействием тектонических поднятий и процессов разрушения начали вырабатываться основные элементы рельефа данного участка. К концу неогена (3 миллиона лет назад) здесь заложились основные контуры рельефа и гидрографической сети, обособились водоразделы и речные долины.
В четвертичный период (3 миллиона лет назад — наше время) сформировалась хорошо развитая балочная сеть, образовались речные террасы Тихой Сосны и Дона. После отступления ледника наиболее значительные скопления морены и водно-ледниковых аллювиальных отложений были сосредоточены преимущественно в долинах рек.
Дивы
Пожалуй, самыми привлекательными природными объектами Дивногорья являются Дивы — меловые столбы, вертикально поднимающиеся над крутыми откосами правобережья Тихой Сосны и Дона. Раньше этих творений природы здесь было гораздо больше, чем сейчас. Значительное количество див было взорвано во время Великой отечественной войны.
Происхождение Див до сих пор до конца не разгадано. По одной из версий, это результат разрушения меловых пород. Мело-мергельные породы характеризуются сильной трещиноватостью и отсутствием слоистости. Многие трещины способствуют разрушению меловых массивов. В ряде мест Дивногорья это привело к обособлению крупных блоков мела, которые под воздействием эрозионных и карстовых процессов приобрели экзотические формы.
Воды
Территория музея-заповедника «Дивногорье» хорошо обеспечена как поверхностными, так и подземными водами. Поверхностные воды состоят из рек, пойменных озёр и болот, их главная составляющая образована потоками Дона и Тихой Сосны. Подземные воды состоят из разновозрастных гидрогеологических горизонтов и выходящих на поверхность родников.
Река Дон играет большую роль в регулировании водного режима обширной территории, а также формировании пойменных ландшафтов. Это типичная равнинная река со сравнительно небольшим уклоном, медленным и спокойным течением, широкой поймой и извилистым руслом.
Река Тихая Сосна на территории музея-заповедника несёт свои воды к Дону в хорошо разработанной широкой долине. Русло реки извилистое с наличием меандров, плёсов и мелководий.