อุทยานแห่งชาติตาดโตน มีพื้นที่อยู่บนเทือกเขาภูแลนคา มีพื้นที่ประมาณ 1 ใน 4 ของเทือกเขาภูแลนคา โดยทั่วไปเป็นที่ราบสูงโดยมีเทือกเขาล้อมรอบที่ราบเอาไว้ ตอนกลางเป็นหุบเขากว้างใหญ่ พื้นที่ของอุทยานแห่งชาติทางด้านทิศตะวันตกเฉียงเหนือจะมีเขาภูเขียว ภูกลาง และภูแลนคา ซึ่งจะมีระดับสูงสุด 905 เมตรจากระดับน้ำทะเลปานกลาง ทางด้านตะวันออกเฉียงเหนือจะมียอดภูแลนคาซึ่งเป็นยอดเขาที่สูงที่สุดของอุทยานแห่งชาติตาดโตน โดยมีความสูงประมาณ 945 เมตร จากระดับน้ำทะเลปานกลาง ยอดเขาสูงเหล่านี้เป็นต้นน้ำลำธารของห้วยต่างที่สำคัญหลายสาย และต้นกำเนิดของน้ำตกตาดโตน ได้แก่ ห้วยลำปะทาวหรือห้วยตาดโตน ห้วยน้ำซับ ห้วยคร้อ ห้วยตาดโตนน้อย ห้วยสีนวน และห้วยแก่นท้าว ซึ่งจะไหลรวมกันเป็นห้วยปะทาวและไหลผ่านตัวอำเภอเมือง จังหวัดชัยภูมิ นอกจากนี้ ยังมีห้วยที่สำคัญ คือ ห้วยชีลอง ห้วยช่อระกา ห้วยเสียว ห้วยแคน และห้วยเสียวน้อย สภาพป่าเป็นป่าดิบแล้ง ในบริเวณริมลำห้วยหุบเขาและยอดเขามีดินที่มีความอุดมสมบูรณ์ดี และป่าเต็งรังเป็นดินกรวด มีความอุดมสมบูรณ์ค่อนข้างต่ำ