อุทยานแห่งชาติภูสอยดาว ลักษณะภูมิประเทศเป็นเทือกเขาสลับซับซ้อน ตั้งแต่ทิศเหนือจดทิศใต้ เป็นเทือกเขากั้นพรมแดนระหว่างประเทศไทยกับสาธารณรัฐประชาธิปไตยประชาชนลาว มีความสูงจากระดับน้ำทะเลตั้งแต่ 500-1,800 เมตร ซึ่งสูงเป็นอันดับ 4 ของประเทศไทย พื้นที่ส่วนใหญ่เป็นภูเขาและป่าไม้ประมาณร้อยละ 85 ของพื้นที่ทั้งหมด เป็นที่ราบประมาณร้อยละ 15 ของพื้นที่ทั้งหมด เป็นแหล่งต้นน้ำลำธารของลำน้ำภาค และลำน้ำปาด