Заповедник занимает одноименный мыс, геологические и природные особенности которого весьма своеобразны, что напрямую касается охраняемой зоны. Как полагают ученые, он образовался еще в среднем Палеолите, по геологической структуре он в большинстве представлен нестойким мшанковым известняком. Состоит он из прибрежной кольцевой гряды с низким и плоским углублением центральной котловины, чем чрезвычайно напоминает с виду атолл с пересохшей в глубокой древности лагуной, плескавшейся на нынешних степных просторах. Прибрежная часть сплошь изрезана крошечными заливчиками, а вся поверхность обрывистых и недружелюбных с виду склонов испещрена трещинами, воронками и другими карстовыми образованиями.
Многим он представляется сухой, каменистой пустыней, лишенной всякой жизни, но на самом деле это не так. Скудность заповедника кажущаяся, да и представляется он таким только в жаркие, засушливые летние месяцы, когда его территория, выжженная солнцем, больше напоминает марсианские пейзажи.
Весной, после обильных дождей, внутренняя часть гряды, достигающей в некоторых метах высоты 100 м, и прилегающей степи, словно оживают, пробуждаясь после зимнего сна. Просторы заказника покрываются изумрудной зеленью, а воздух наполняет дурманящий запах степных трав и удивительных по красоте цветов, превращая Казантипский природный заповедник, пусть и не на продолжительное время, в райский, благоденствующий уголок. В этот период он наиболее прекрасен, особенно это ярко выглядит на фоне красновато-серых, известняковых, совершенно голых образований, стеной отрезающих крошечный цветущий степной мир от ярко-голубых просторов Азовского моря. Представляя поразительный природный контраст, словно замкнутое и ограниченное внутреннее пространство, наполняется степным благоуханием, смешанным с соленым морским воздухом, доносящимся с побережья. Взгляд радует обилие красок, а неширокий простор представляется пестрым ковром из пионов, тюльпанов, офрисов, катранов, фиалок и прочих уникальных цветов. Многие из них очень редки, причем не только для Крыма. Из более чем 500 видов флоры, произрастающей тут, 25 занесены в Красную книгу и не встречаются больше нигде, то есть эндемики.