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黑龙江小北湖自然保护区地处张广才岭中段，地理座标为东经128°33´07"~128°45´48"，北纬44°03´16"~44°18´59"。南北长28公里，东西宽17公里，总面积为20834公顷。
在地质构造上属于新华夏系构造体系张广才岭、老爷岭第二隆起带，为华夏式构造体系所控制。区内的地质受镜泊晚期大干泡——蛤蟆塘火山群活动的影响，分布有大面积的高位玄武岩。
在地貌类型属于东北东部山地，是发育在地台隆起带上，新生代断裂升降，有强烈火山作用的低山丘陵区，是长白山北部支脉张广才岭中段东坡的一部分，地势西高东低，海拔在360~1260m之间，平均海拔高度810m，属于中低山丘陵区。
小北湖国家级自然保护区地处温带大陆性季风气候区，因受海洋暖湿气流和西伯利亚冷空气的双重影响，四季气候变化明显。主要表现为春季风大干旱，夏季温湿多雨，秋季多风干燥，冬季寒冷而漫长。年平均气温在2.5℃左右，年降水量平均在650mm左右，主要集中在7-8月份，无霜期90~100天