Хомутовская степь находится на Приазовской береговой равнине и понижается с Севера на Юг, а на Западе граница заповедника проходит вдоль речки Топкий Еланчик. Естественной границей на Юге является Оболонская балка. На Юге и Востоке Хомутовская степь граничит с землями колхозов. С востока на запад территория степи расчленена двумя балками, на склонах которых, как и в долине Топкого Еланчика отслоняются известняки. К мезорельефу можно отнести три древних кургана (погребения) на межбалочных водоразделах и скопления старых поселений сурков.

Подстилающими породами в заповеднике являются лёссовидные глины и трудные суглинки. Грунты преимущественно обычные среднемощные черноземы с повышенным содержимым карбонатов, за что их иногда выделяют в особую группу - приазовских черноземов.

Климат Приазовья имеет хорошо выявленные черты континентальности, которые смягчаются влиянием Азовского моря. Среднегодовая температура воздуха заповедника, по данным метеостанций, 9°С. Зима короткая, умеренно холодная, с частыми оттепелями. Средняя многолетняя температура января -3,9°С. Весна довольно прохладная, с значительными утренними заморозками на протяжении всего марта. Лето почти всегда жаркое, вторая половина засушливая. Средняя температура наиболее теплого июля +22°С, а абсолютный максимум достигает +40°С. Осень теплая и довольно длинная.

Среднегодовое количество осадков достигает 440 мм. Выпадение осадков более или менее равномерное. Постоянный снеговой покров длится около 60 суток. Среднегодовая относительная влажность 65-70%. Ветры преимущественно восточные, в особенности весной, когда время от времени возникают черные бури. Вегетационный период растительности длится 220-230 суток.

В Хомутовской степи выявлено 546 видов растений, из которых: 12 пустынно-степных, 172 степных, 39 каменисто-степных, 99 лугово-степных, 93 лучних, 29 лугово-лесных, 21 лугово-болотных (прибрежных), 8 водных макрофитов и 73 вида сорняков.

По характеру растительного покрова Хомутовская степь - южный вариант разнотравно-типчаково-ковылевых степей. Основу травяного покрова составляют злаки: типчак бороздчатый, ковыль Лессинга и ковыль волосистый, местами стоколос безостый и пыреи, а на низких участках еще и стоколос прибрежный, местами куничник наземный. Здесь также растут адонис волжский, тюльпаны Шренка, дубравный, змеелистый, фиалки приятная и двуцветная, алтея лечебная, пион узколистый (воронец), дикий лен австрийский и много других степных растений. И только изредка в степи на фоне травяного покрова поднимаются кусты жостера слабительного, терна обычного, шиповника (14 видов), карагани кустовой, миндаля степного и других кустарников.

Ранней весной степь пробуждается от короткого зимнего отдыха. В апреле он желтеет от цветущего адониса волжского, нежные краски дает шафран сетчатый, в кустовых зарослях зацветает подснежник сибирский.