Il Parco si estende nelle Alpi Cozie Settentrionali, su territori di pertinenza delle Valli Chisone, Susa e Sangone.

I confini dell'area protetta corrono mediamente a una quota altimetrica di 1.400 m e le cime più importanti comprese al loro interno sfiorano i 3.000 m: Monte Orsiera (2.890 m), Monte Rocciavrè (2.778 m) e Punta Rocca Nera (2.852 m).

Il massiccio dell'Orsiera-Rocciavrè è costituito da rocce di origine diversa, la cui presenza può essere compresa se si riconduce al processo di orogenesi alpina. Gran parte di esso, comprese le sue vette principali, è costituita da rocce, dette ofioliti o pietre verdi. Altre rocce, dette della falda continentale, si trovano invece alla periferia del massiccio.

La storia "recente" delle montagne del Parco é caratterizzata dal modellamento operato dall'erosione. È evidente l'azione delle glaciazioni di epoca Quaternaria per la presenza di morene, laghi di circo e sbarramento glaciale (Lago di Chardonnet, Lago del Laus e Lago La Manica, Lago Sottano, Lago Soprano), rocce montonate e valli a "U". Sono altresì presenti accumuli di detriti e frane; particolarmente suggestivo il paesaggio cosparso di grossi blocchi nella conca di Cassafrera, nel cuore del Parco. Nel Parco non si registrano le condizioni per la formazione di ghiacciai e neppure di piccoli nevai permanenti.

L'altitudine dello zero termico medio invernale è pari a 1.700 metri. Il territorio è caratterizzato da precipitazioni relativamente scarse, tra le più basse nell'ambito dell'Italia Nord-occidentale. Si registra mediamente un massimo a maggio e ottobre e un minimo a gennaio e a luglio.

Il paesaggio vegetale del Parco è particolarmente interessante sia perché il territorio protetto copre un'ampia fascia altitudinale, sia perché le tre valli su cui si sviluppa hanno caratteristiche climatiche e pedologiche diverse.

Le caratteristiche geomorfologiche del territorio del Parco consentono a molte specie di animali di trovare un habitat a loro congeniale infatti è presente una fauna diversificata composta:
da mammiferi (l'Arvicola rossastra, il Topo selvatico, il Topo collo giallo, il Topo quercino, lo Scoiattolo, il Ghiro, il Riccio, la Donnola, la Faina, il Tasso, lo Scoiattolo, il Topo selvatico e poi il Toporagno comune e il Toporagno nano, l'Ermellino, la Lepre alpina, la Pernice bianca, la Marmotta , i Camosci, i Mufloni e gli Stambecchi, la Volpe, il Cinghiale e il Lupo);
da uccelli: la Cinciarella, la Cinciallegra, la Cincia bigia, la Ghiandaia, il Picchio rosso maggiore, il Picchio muratore, lo Scricciolo, il Luì piccolo, il Merlo, l'Allocco, l'Astore, lo Sparviere, la Cincia mora, la Cincia bigia alpestre, la Cincia dal ciuffo, il Regolo, il Rampichino alpestre, il Crociere, il Ciuffolotto, la Nocciolaia, e la Civetta capogrosso, l'Allodola, lo Stiaccino, il Fanello, ordone, Spioncello, Culbianco e Codirosso Spazzacamino, il Gracchio alpino e corallino, il Picchio muraiolo, il Corvo imperiale, il Gheppio. L'Aquila reale ed infine la Rondine montana;
l'avifauna comprende inoltre il Gallo forcello, il Merlo dal collare, la Passera scopaiola, la Bigiarella e l'Organetto.

I laghetti alpini sono abitati da specie ittiche, possiamo trovare la Rana temporaria, il Salmerino di fonte e la Trota fario.