Катунский заповедник расположен в самой высокогорной части Алтая — на южном склоне Катунского хребта и северном склоне хребта Листвяга. К территории заповедника прилегает самая высокая точка Сибири — гора Белуха 4506 м). Именно на ней берет свое начало река Катунь.
Свое название заповедник получил благодаря реке Катуни, главной водной артерии горного Алтая общей протяженностью 688 км. Она имеет 254 притока, длина которых составляет 708 км. Катунь сливается с Бией, образуя Обь.
На территории Катунского заповедника существует Западно-Катунский центр оледенения, который насчитывает 148 ледников, общая площадь которых составляет около 80 км², также здесь около 135 высокогорных озер.