La topografía de la reserva esta marcada por el volcán Cotacachi, cuyas estibaciones occidentales son muy agrestes. Aquí se localizan las cordilleras de Toisán, una zona particularmente accidentada y arrugada de los Andes del Norte. Acunados por los bosques nublados en sus laderas, nacen varios ríos que alimentarán luego las cuencas del Santiago, el Cayapas, el Guayllabamba, el Esmeraldas y el Mira.
Los ríos principales dentro de la reserva son el Puniyacu, el Agua Clara, el Barbudo y Las Piedras. Completan el paisaje hídrico las lagunas en la parte alta, incluyendo Cuicocha, que es uno de los atractivos más visitados del Ecuador.
Un aspecto notable de la geología de la reserva tiene que ver con la última erupción del volcán Cotacachi: el magma expulsado encontró una salida lateral, lo que terminó formando un pequeño volcán, el Cuicocha. Cuando la lava se retiró, la cámara magmática colapso y así se formó el cráter que, tras llenarse de agua, es lo que conocemos y admiramos ahora.
Los dos islotes que existen en su interior (Teodoro Wolf y Yerovi) son producto de una erupción posterior ocurrida dentro de la caldera.

La zona alta cuenta con un centro de Interpretación junto a Cuicocha, zonas para acampar y un hospedaje comunitario en Piñán. Los principales senderos son:
Zona alta
Ruta Sagrada. Se encuentra junto a la laguna de Cuicocha y tiene una extensión de 320 metros. Se recorren cuatro estaciones que representan varios aspectos de la cosmovisión andina.
Gorky Campuzano. Rodea la laguna de Cuicocha y tiene una longitud total de 10 km. Existen varias opciones o rutas para su recorrido.
Cerro Cotacachi. Son 14 kilómetros desde la garita de control hasta el sector de las antenas. Es de dificultad avanzada y requiere del apoyo de un guía de montaña.
Yanahúrco. Desde la comunidad de Sachapamba se toma un sendero de herradura de 10 kilómetros hacia la laguna de Yanacocha y luego otro de 5 kilómetros hacia la cumbre del Yanahúrco. Se requiere de guía y equipo para acampar; el recorrido es de dificultad avanzada.
Zona baja
Charco Vicente. (Sector San Miguel) Es un sendero autoguiado con bosque primario. Son 3,5 kilómetros de recorrido en círculo.
Comunidad Playa de Oro. Desde la comunidad se ofrecen varios recorridos a través del bosque húmedo tropical.

La gran variedad ecológica también tiene un reflejo en la cultura y la historia de la zona, muy diferente en las partes altas y bajas. En la parte andina hay varias comunidades de la nacionalidad Kichwa.
Los habitantes prehispánicos del área incluyeron varias etnias de las que quedan vestigios principalmente en algunos topónimos. En la zona baja habitan poblaciones indígenas de las nacionalidades Awá, Chachi y Épera, así como afroecuatorianas y mestizas. Alrededor de toda la reserva hay asentamientos antiguos y recientes de migrantes de todas partes del país, que se han relacionado de diversa manera con los paisajes y recursos del área protegida. Las etnias originales se asientan en los alrededores de los grandes ríos dentro y cerca de la reserva. Las comunidades afroesmeraldeñas se integraron más tarde y trajeron algunos elementos propios de su cultura original, entre los cuales está la música de marimba.

La variación altitudinal y ecológica de esta reserva supone una biodiversidad asombrosa de la cual es difícil extraer elementos representativos. Sin embargo, a continuación se hace un intento para reseñar los datos y las especies más interesantes.
En la reserva hay 2.107 especies de plantas, 201 de las cuales son orquídeas. En las zonas altas hay páramo de pajonal y bosquetes de árboles de papel o yahual.
Se pueden encontrar el helecho acuático, dedos de diablo y orquídeas de altura. En los bosques andinos hay aliso, arrayán, aguacatillo y piquil de Cuicocha. En el bosque tropical hay chípero, guayacán, salero de mono, chanul, una pariente de la chirimoya, anturios o cartuchos, bromelias y helechos gigantes.
La reserva tiene 139 especies de mamíferos, 689 de aves (lo que la convierte en el área protegida con mayor riqueza de aves del Ecuador), 111 de reptiles y 124 de anfibios. En sus ríos y lagunas hay 39 especies de peces, de las cuales siete son utilizadas por la gente que vive en las tierras bajas cerca de los ríos Santiago y Cayapas.
En la parte alta existen el lobo de páramo, la cervicabra, el venado de cola blanca, el puma, el conejo, el chucuri y el oso andino. En las lagunas como Cuicocha y Piñán se pueden ver varias especies de patos, gallaretas y el zambullidor plateado.
En el páramo vuelan los curiquingues, el cóndor andino y la gaviota andina. Hay lagartijas y guagsas. En los bosques andinos y nublados hay ranas jambato, ranas cutines y ranas marsupiales. Entre las aves están varias especies de colibríes, tucanes andinos y pavas de monte, entre muchas otras.
En la zona baja existen monos araña, aullador de la Costa y capuchino, a más de saínos, tigrillos, jaguares, perezosos y nutrias. Las aves incluyen águilas entre ellas la arpía, el halcón reidor, pavas, guacamayos, loros, el tucán del Chocó y el pájaro paraguas. Los anfibios incluyen ranas arborícolas, ranas de cristal, ranas jambatos, ranas cutines y gekos. En la parte baja también hay lagartijas y serpientes como la chonta, la falsa coral y la coral.

Volcán Cotacachi

Tiene 4.939 metros de altitud y es el punto más alto de la Reserva. Es de forma cónica y está ocasionalmente cubierto de nieve.

Piñán

Al oeste del cerro Yanahúrco está el pueblo de Piñán, con su páramo y sus lagunas, entre las que están Donoso, Jaricocha y Cristococha. Las lagunas están rodeadas por páramo y en su interior se practica la pesca de trucha.

Parte baja

Explorar el bosque húmedo del Chocó y navegar los ríos que existen en ese sector son los principales atractivos. Los lugares de visita se encuentran en la población de San Miguel (navegando por el río Cayapas). Desde aquí se llega a Charco Vicente, a la cascada San Miguel y al salto del río Bravo. Por el río Santiago, en cambio, se llega a la comunidad afroesmeraldeña Playa de Oro en la zona de amortiguamiento de la Reserva.

Vestimenta.
Zona alta: ropa abrigada, poncho de aguas o chompa impermeable en caso de lluvia o garúa. Calzado apropiado, tipo botines de media caña en caso de caminatas medianas o largas.
Zona baja: ropa ligera y botas de caucho para caminar en los senderos del área.