Les roches très anciennes de la région du parc, de nature plutonique ou métamorphique, forment une vaste pénéplaine très érodée. Au Sud du parc, le seul relief bien visible est constitué par le piémont nord de la chaîne de l’Atakora, qui est traversée par la Mékrou au niveau des chutes de Koudou. Plus au Nord les gorges de la Mékrou et de la Tapoa, taillées dans des quartzites, témoignent également de quelques réajustements récents dans le paysage. Les plateaux du parc sont le plus souvent recouverts d’une épaisse couche de latérite riche en fer, qui a permis le développement d’une petite industrie métallurgique préhistorique très ancienne.
Seul le fleuve Niger coule durant toute l’année dans le parc ; les rivières Tapoa, Mekrou et Alibori ne forment plus en saison sèche qu’un chapelet de points d’eau, rendez-vous obligés de toute la grande faune. Quelques points d’eau aménagés dans le parc permettent en outre aux grands mammifères de s’abreuver pendant la saison sèche.