Воронинский заповедник расположен на западных отрогах Приволжской возвышенности, вблизи самых высоких точек поверхности Тамбовской области с абсолютными отметками до 210 м над уровнем моря. Максимальные отметки непосредственно территории заповедника достигают 180 м (у сел Никитино и Иноковка), мини-мальные - 115 м (урез реки Ворона у южной границы заповедника). Перепады высот в 60-65 м наблюдаются на расстоянии 500-1000 м.
Рельеф заповедника определяется его положением вдоль долины реки Ворона, которая отличается ярко выраженной асимметрией склонов. Более высоким и крутым является правый склон. Склоны долины Вороны, малых речек и балок имеют крутизну до 26-28о, выполаживаясь в приводораздельной части.