Ильменский заповедник находится в восточных предгорьях Южного Урала на Ильменском хребте в Челябинской области, к северо-востоку от г. Миасс.
Площадь заповедника 303.8 кв. км. Длина Ильменского хребта с севера на юг - 41 км.
В геоботаническом отношении эта территория относится к южно-таежной лесной зоне, к подзоне сосново-березовых лесов, которая на западе граничит с темнохвойными лесами водораздельных хребтов, а на востоке - с лесостепью зауральского пенеплена. Леса занимают 85 % площади заповедника.