ภูเก้า มีสันฐานคล้ายกะทะหงายโดยมีที่ราบอยู่ตอนกลาง พื้นที่เช่นนี้ทำให้สันนิษฐานได้ว่า พื้นที่ส่วนนี้น่าจะเป็นซากภูเขาไฟโบราณที่ดับสนิทไปแล้วหลายร้อยล้านปี หรือมิฉะนั้นก็เป็นการโก่งตัวของเปลือกโลกในบริเวณนี้ขึ้นมาเป็นขอบ เทือกเขา เทือกเขาภูเก้าเป็นเทือกเขาสองชั้น ชั้นนอกเป็นภูเขาสูงและมีความลาดชัน มาก ไหล่เขาด้านในมีความลาดชันไม่มากนัก พื้นที่ส่วนใหญ่มีลักษณะ สูงๆ ต่ำ ๆ บางแห่งเป็นที่ราบ
ภูพานคำ เป็นแนวทิวเขายาวในเทือกเขาภูพาน เรียงตัวตามแนวทิศตะวันออกเฉียงเหนือ - ตะวันตกเฉียงใต้ บริเวณทิศตะวันตกเฉียงใต้ของเทือกเขาเป็นแอ่งที่ราบต่ำลุ่มน้ำพอง ซึ่งเป็นหุบเขาขนาดใหญ่ เมื่อมีการสร้างเขื่อนอุบลรัตน์ พื้นที่ดังกล่าวนี้กลายเป็นทะเลสาป ซึ่งเป็นพื้นที่อุทยานแห่งชาติ มีเนื้อที่ประมาณครึ่งหนึ่งของส่วนภูพานคำ สภาพป่าเป็นป่าเต็งรังและป่าเบญจพรรณซึ่งขึ้นอยู่ในพื้นดินปนหิน