Современный рельеф и ландшафты территории парка являются наследием Московского и, в меньшей степени Окского, оледенений четвертичного периода, а также обязаны особенностям тектонического строения региона. В частности, на формирование рельефа и гидрографии территории оказала заметное влияние Калужско-Бельская глубинная тектоническая структура, а также Козельское локальное поднятие в каменноугольных отложениях.
Территория национального парка располагается в пределах двух физико-географических провинций: Смоленско-Московской (Угорский участок) и Среднерусской (Жиздринский и Воротынский участки)
Угорский участок включает ландшафты холмистых и пологоволнистых моренных равнин московского оледенения, осложненных камами, моренно-зандровыми равнинами, заболоченными древними ложбинами стока и термокарстовыми впадинами. В долине Угры, приуроченной к краевым участкам распространения московского ледника, отмечаются крупные моренные валуны и глыбы кристаллических пород размером до 4-6 м. В понижениях ледникового рельефа, между моренных холмов или в котловинах «выпахивания», имеются болота Морозовское и Беляевское, водно-болотные угодья Галкинское и Бучкино, а также редкие озера (оз. Озерки). Пониженные пространства придолинных частей бассейна Угры занимают наибольшую площадь и относятся к Угорской низине. В восточной части (приустьевые отрезки Угры и Шани) она унаследовала обширную долину пра-Оки, заполненную продуктами московского оледенения.
Воротынский участок парка, располагающийся в восточной части Мещовского ополья, входит в состав возвышенной Барятинско-Сухиничской равнины. Вместе с левобережьем Жиздры этот участок характеризуется ландшафтами эрозионной среднехолмистой моренной равнины. На правом берегу Жиздры развиты ландшафты моренно-зандровых и сильно расчлененных эрозионных равнин. В долинном зандре этой реки развиты высокие (до 8-10 м) и протяженные песчаные дюны. Юго-восточная часть данного участка примыкает к Брянско-Жиздринскому полесью, представляющему собой среднерасчлененную зандровую равнину, сформированную талыми водами московского ледника. Максимальные для территории парка отметки абсолютных высот (250-257 м над уровнем моря) приурочены к возвышенным участкам Среднерусской провинции (правобережье Жиздры), минимальные связаны с долиной Оки и приустьевыми частями Жиздры и Угры (118-120 м). Таким образом, амплитуда рельефа в его границах достигает около 140 м.