Klimat jest kontynentalny. Najzimniejszym miesiącem w roku jest styczeń ze średnią miesięczną temperaturą -16 °C, najcieplejszym lipiec ze średnią miesięczną temperaturą +17 °C.
Minerały Góry Ilmeńskie zostały początkowo ogłoszone rezerwatem mineralogicznym (przekształconym w 1935 roku w zapowiednik), jednym z pierwszych rezerwatów utworzonych w Rosji. Główną cechą tego pasma górskiego jest jego unikalna budowa geologiczna. Tutaj, na stosunkowo niewielkim obszarze, odkryto ponad 250 minerałów – od pospolitych po najrzadsze. Są tu liczne unikalne żyły pegmatowe, które zawierają m.in.: topaz, hiacynt, akwamaryn, fenakit, granat, cyrkon, szafir, turmalin, amazonit. Po raz pierwszy na świecie odkryto tu takie skały z grupy sjenitowej, jak m.in. miaskit (od nazwy miejscowości Miass), firsyt (nazwany na cześć szczytu Firsowoj we wschodniej części Gór Ilmeńskich) i sandit (od nazwy przepływającej tu rzeki Sandy-Ełga), a także 18 minerałów, takich jak np. ilmenit, ilmenorutil, chiolit.
Flora 85% powierzchni rezerwatu zajmują lasy. Sosna zwyczajna stanowi około 55% lasów, a brzoza brodawkowata 40%. Tereny bezleśne (łąki i stepy) stanowią 6% powierzchni rezerwatu, a bagna 1%.