Новгород-Северское Полесье — это крайняя восточная часть Украинского Полесья. На западе оно граничит с Черниговским Полесьем. Граница его проходит от устья р. Ревна по линии населенных пунктов Холмы, Короп и Кролевец.
На востоке ограничено Среднерусской возвышенностью, на севере границей с Россией, на юге граничит с Сумской лесостепной областью. Новгород-Северское Полесье охватывает восточную часть Черниговской и северо-западную часть Сумской областей.
Новгород-Северское Полесье существенно отличается от Черниговского Полесья геоструктурным положением, геолого-геоморфологическим строением, гидрологическими условиями. Все это обусловило своеобразное развитие местных физико-географических процессов, в том числе и почвообразование.
В тектоническом отношении Новгород-Северское Полесье занимает северную часть юго-западного склона Воронежского кристаллического массива. Глубина залегания докембрийского кристаллического фундамента составляет от 100 до 700−900 м.
В орографическом отношении Новгород-Северское Полесье представляет собой низменность, переходящую в пониженный юго-западный край Среднерусской возвышенности.
Долина реки Десна отделяет от нее Снов-Деснянскую водораздельную равнину с максимальной абсолютной высотой 222 м. Общая глубина расчленения поверхности составляет около 100 м.
Большая глубина и густота эрозионного расчленения поверхности в значительной степени обусловлены особенностями древнего рельефа — неровностями меловой поверхности и наличием холмов и увалов, сложенных палеогеновыми песчаниками. Для анализируемой области характерны карстовые процессы.
Климатические условия Новгород-Северского Полесья в отличие от других полесских областей более континентальные. Зима относительно холодная, снежная, более продолжительная. Характерны меньшая продолжительность вегетационного (на 10−12 дней) и безморозного (150−160 дней) периодов, меньшая повторяемость оттепелей.
Средняя годовая температура воздуха составляет +5 °С, января −7, −8, июля +19 °С. Период весенних и осенних сельскохозяйственных работ сокращается на 5−10 дней. Сумма положительных температур выше 10 °С составляет 2300 в северной части и 2490 °С — в южной.
Среднегодовая сумма осадков 550−590 мм, на расчлененных плато — до 600 мм. За теплый период года выпадает более 400 мм осадков. Средняя продолжительность периода с устойчивым снежным покровом 110−115 дней, средняя высота снежного покрова 21−22 см.
Новгород-Северское Полесье дренируется рекой Десна и ее притоками. Реки имеют в основном подземное питание в связи с дренированием трещинных вод мелового горизонта и большой расчлененностью поверхности.
Подземные воды широко распространены на территории области и используются для водоснабжения. Приурочены они в основном к верхней трещиноватой мергельно-меловой толще и антропогеновым отложениям.
Подземные воды играют большую роль в развитии современных физико-географических процессов (карстовых явлений, оползней, формировании почвенно-растительного покрова и др.).
Из полезных ископаемых Новгород-Северского Полесья важное значение имеет сырье для изготовления строительных материалов, в частности мел и пески. Важные природные богатства области — леса, плодородные почвы, реки.
Пойменные местности хорошо развиты в долине р. Десна, где их ширина варьирует от 1 до 4 км, а также в долинах ее левобережных притоков, пересекающих террасную равнину. Местности включают обилие природно-территориальных комплексов ранга урочищ: сухих лугов, мокрых лугов, болот, озер-стариц, лесных массивов. Пойменные угодья используются как сенокосы и пастбища.
Среди заповедных объектов Новгород-Северского Полесья выделяется лесной заказник Великий бор (площадь 1167 га). Он находится у села Собичево Шосткинского района Сумской области. Природоохранный режим установлен в 1978 году.
Заказник представляет собой насаждения сосны, созданные в 1912—1916 гг. лесоводом В. Д. Огиевским. Это ценный памятник опытного лесоводства, так как в нем произрастает сосна из разных ландшафтных районов нашей страны.
В пойме р. Десна много лугов, озер. Самое крупное — озеро Хатынь. Лесные массивы центральной части парка мало нарушены, поэтому намечено выделить их в заповедную зону.