ลักษณะทางอุทกวิทยา
            สถานีวิจัยลุ่มน้ำดอยเชียงดาว  มีพื้นที่ลุ่มน้ำประมาณ  2,000  ตารางกิโลเมตร   เป็นพื้นที่ป่า อนุรักษ์มากกว่า 50%   ประกอบไปด้วยลุ่มน้ำสาขาประมาณ  20  สาขา    ลำธารสายหลักไหลมาจาก ดอยถ้วยผ่านตำบลเมืองนะ เมีองงาย ปิงโค้ง เชียงดาว และแม่นะ อำเภอเชียงดาว และไหลไปบรรจบ กับแม่น้ำแม่งัดที่ตำบลช่อแล อำเภอแม่แตง รวมเป็นระยะทางประมาณ 100 กิโลเมตร  และไหลลงสู่ ที่ราบลุ่ม เชียงใหม่-ลำพูน ผ่านเมืองเชียงใหม่ 
             สันของพื้นที่ลุ่มน้ำ ประกอบไปด้วยเทือกเขาแดนลาว ทางตอนเหนือ และทิศตะวันตก  และ
และผีปันน้ำ ทางทิศตะวันออก   ยอดเขาสำคัญ คือ ดอยเชียงดาว ที่เป็นเทือกเขาหินปูนทั้งเทือก  มี ความสูงจากระดับน้ำสูงเป็นอันดับสามของประเทศ (2170 เมตร จากระดับน้ำทะเล) โดยมีพื้นที่ราบ ดินตะกอนใหม่สองฝั่งของแม่น้ำปิง เกิดจากการทับถมของตะกอนลำน้ำ  อยู่ทางตอนกลางและตอน
ใต้ของพื้นที่ มีเนินเขาเป็นที่ลาดลอนคลื่นตะกอนเก่าจากภูเขาที่ส่วนใหญ่สูงชัน    ความลาดชันของ ลำน้ำประมาณ 1.5 %  ลำน้ำไหลลงไปตามช่องแคบตามเส้นทางหลวงหมายเลข 107  ไปบรรจบกับ แม่น้ำแม่งัดที่ระดับความสูงจากน้ำทะเลประมาณ   550   เมตร  และไหลไปรวมกับแม่น้ำแม่แตง ที่ อำเภอแม่แตงไหลลงสู่ที่ราบลุ่มเชียงใหม่-ลำพูน 
             พื้นที่ลุ่มน้ำปิงตอนบนมีแม่น้ำปิงเป็นแม่น้ำสายหลัก ต้นน้ำที่อยู่ไกลที่สุดอยู่บริเวณเทือกเขา แดนลาวบริเวณดอยถ้วย ไหลผ่านตำบลเมืองงาย เข้ามาที่ตัวอำเภอเมืองเชียงดาวตามทางหลวงเลขที่ 1178  และมีแม่น้ำปายไหลมาจากเทือกเขาผีปันน้ำ ทางทิศตะวันออกของพื้นที่ มาบรรจบก่อนไหลเข้า
สู่เมืองเชียงดาว   และไหลรวมไปตามช่องแคบไปรวมกับน้ำแม่งัด  และแม่แตง      ในพื้นที่มี หนองน้ำ ธรรมชาติเพียง 1 แห่ง น้ำใต้ดินมีปริมาณ 10-100 แกลลอน ต่อ นาที มีคุณภาพดีพอบริโภค

ลักษณะทางธรณีวิทยา
             มีโครงสร้างทางธรณีวิทยาที่ประกอบไปด้วย  Granite,  Gneiss  และ  Quartzite ที่เกิดในยุค Triassic    โดยมีแร  ่ Quartz   และ   Feldspar   เป็นองค์ประกอบสำคัญ   ชนิดหิน   ได้แก่ Granite, Granodiorite, Shale mudstone, Conglomerate, Shale, Sanstone 

ลักษณะทางปฐพีวิทยา
             ลักษณะของดินบริเวณสถานีวิจัยลุ่มน้ำดอยเชียงดาวถือกำเนิดจากหินพวก Granite, Gneiss
และ Quartzite  ดินบนสีน้ำตาลแดง  เนื้อดิน sandy loam – sandy ลึก 5-30 เซนติเมตร    ชั้น B  ลึก 85-120 เซนติเมตร สีน้ำตาล เนื้อดิน sandy clay loam

ลักษณะภูมิอากาศ
             ลักษณะภูมิอากาศของลุ่มน้ำปิงตอนบน  ที่ตรวจวัดที่บริเวณ พื้นที่สถานีวิจัยลุ่มน้ำดอย เชียงดาว อำเภอเชียงดาว จังหวัดเชียงใหม่ อยู่ภายใต้อิทธิพลของลมมรสุ่มตะวันออก และตะวันตก เฉียงใต้ ซึ่งมีลักษณะและช่วงเวลาดังนี้
             ฤดูฝนมีระยะเวลาประมาณ  6  เดือน  โดยเริ่มกลางเดือนพฤษภาคมถึงเดือนตุลาคม     การ กระจายตัวของฝนแบ่งเป็น 2 ช่วง ช่วงแรกอยู่ระหว่างเดือนพฤษภาคม ถึงมิถุนายน เกิดจากอิทธิพล อากาศในท้องที่  เป็นพายุฝนฟ้าคนอง  และทิ้งช่วงในเดือนมิถุนายน  และเริ่มอีกครั้งในเดือนกรกฎา- คมด้วยอิทธิพลของพายุโซนร้อนจากทะเลจีนใต้ และมหาสมุทรอินเดีย   มีฝนตกมากและกระจายไป ทั่วพื้นที่    ในช่วงปลายฤดูฝนมีฝนตกเนื่องจากความกดอากาศต่ำ   และอากาศเย็นจากประเทศจีน กระทบกับอากาศร้อน มีฝนกระจายทั่วทั้งพื้นที่ ส่วนฤดูหนาวเป็นช่วงได้รับความหนาวเย็น และความ แห้งแล้งจากไซบีเรียทำให้เกิดอากาศหนาวจากปลายฤดูฝนจนถึงประมาณเดือนกุมภาพันธ์  และฤดู ร้อนเริ่มเดือนมีนาคม เนื่องจากเป็นช่วงที่โลกใกล้ดวงอาทิตย์ และลมหนาวพัดช้าลง 

ลักษณะพืชพรรณและการใช้ประโยชน์พื้นที่
             พื้นที่ลุ่มน้ำของสถานีฯ ปกคลุมด้วยป่าชนิดต่าง ๆ และพื้นที่ใช้สอยประโยชน์ใน
การกสิกรรม ดังนี้
             1. ป่าเบญจพรรณผสมสัก (Mixe deciduous with teak forest) มีไม้สักเป็นไม้เด่นโดยไม้ไผ่ เป็นไม้พื้นล่างเป็นส่วนใหญ่  และมีไม้จำพวก  แดง  ประดู่  ตะแบก รกฟ้า ฯลฯ ขึ้นปะปน พื้นที่บางส่วน เป็นป่าโปร่งผสม ไม้มีค่าส่วนใหญ่ถูก ลักลอบ ตัดฟันจนหมดเหลือแต่ไม้ไผ่และลูกไม้ขึ้นปะปนเล็กน้อย และมีไม้ไผ่ เป็นไม้พื้นล่าง
              2. ป่าเต็งรัง (Deciduous dipterocarp forest) มีไม้เหียงเป็นไม้เด่น  บางแห่งอาจจะพบไม้ พลวงบ้าง ส่วนไม้ชั้นรองลงมาเป็นพวกไม้เต็ง และพวกเหมือด  สัก บ้างเล็กน้อย ไม้ขนาดกลาง ได้แก่ ตูมกา กว้าว ไม้พื้นล่างเป็นพวกหญ้าคา 
             3. ป่าดิบชื้น (Evergreen  forest)  พบป่าชนิดนี้ในที่สูงตั้งแต่ระดับประมาณ  900 เมตรขึ้นไป  มีไม้ยางเป็นไม้เด่น เฟริ์น และไม้เถา เป็นไม้พื้นล่างขึ้นอยู่อย่างหนาแน่น พื้นที่ บางส่วนถูกถางเป็นไร่ชา และคงเหลือไม้ยางไว้บ้าง ส่วนที่อยู่ต่ำกว่าระดับ 900 เมตร   มีไม้  ยมหิน ตุ้มเต๋น และสมอ เป็นไม้เด่น ไม้พื้นล่างได้แก่ ไม้เถา มัน หญ้าปกตอ ไม้พื้นล่างมีขิงไร่ ขึ้นอยู่หนาแน่นพอประมาณ
             4. สวนป่า แต่เดิมสถานีฯ รับผิดชอบงานของสวนป่า ดอยเชียงดาว-แม่สาง-แม่มาศ ในงานปลูก สวนป่าไม้สักและไม้กระยาเลย จนถึงปี พ.ศ.2511 (ปัจจุบันอยู่ในเขตรักษาพันธุ์ สัตว์ป่าดอยเชียงดาว)  จึงรับผิดชอบเฉพาะบริเวณใกล้ที่ทำการสถานีฯ   ซึ่งมีพื้นที่สวนป่าใน บริเวณลุ่มน้ำห้วยกุ่ม  และลุ่มน้ำ ห้วยแม่ทะลาย ซึ่งบริเวณพื้นที่สวนป่าอยู่ในรัศมีไม่เกิน  5 กิโลเมตร จากที่ทำการสถานีฯ ชนิดไม้ที่ปลูก  ได้แก่  พะยอม  สัก  ซ้อ  เลี่ยน  กระถินยักษ์ และสนสามใบ 
             5. พื้นที่กสิกรรมและที่อยู่อาศัย ในพื้นที่ลุ่มน้ำของสถานีฯ มีหมู่บ้านแม่ทะลาย ซึ่ง เป็นหมู่บ้าน เล็ก ๆ   ประชากร 60 หลังคาเรือน  จำนวน  350  คน   หมู่บ้านแห่งนี้ได้บุกเบิก เข้ามาทำมาหากินเมื่อ ประมาณ  50  ปี มาแล้ว โดยอาศัยน้ำจากห้วยต่าง ๆ  ที่อยู่ในลุ่มน้ำ แม่ทะลาย  เช่น  ห้วยตาด ห้วยกุ่ม  ห้วยผาตอง  และห้วยแม่ทะลาย  ซึ่งน้ำจากลำห้วย เหล่านี้มีน้ำไหลตลอดปี (ยกเว้นห้วยกุ่มซึ่งปัจจุบัน จะขาดแคลนน้ำในช่วงฤดูแล้ง ประมาณ เดือนมกราคม-เมษายน)  จึงเหมาะสำหรับการกสิกรรมแบบ พื้นบ้านมาก เช่น การปลูกพริก กล้วย ไม้ผลชนิดต่าง ๆ เป็นต้น