Территория самого первого и с наименьшей площадью природного парка Свердловской области «Оленьи ручьи» расположена на Среднем Урале Новоземельско-Уральской равнинно-горной страны в пределах юго-западной Западно-Уральской покровно-складчатой зоны. Основу тектоники территории района составляет крупная Западно-Уральская окраинно-геосинклинальная докембрийско-палеозойская мегазона.

Парк расположен по краю низкогорной полосы Среднего Урала: в Уфимско-Чусовской депрессии (Сергинско-Уфимский грядово-равнинный подокруг) и в Западном низкогорно-хребтовом округах (Киргишанско-Бардымский низкогорный-хребтовый подокруг).

Протяженность Парка с запада на восток от 4 до 8 км, а с севера на юг - около 30 км. Практически вся территория Парка находится в Сергинско-Уфимской депрессии (долина реки Серги в её нижнем течении), северо-восточная граница Парка проходит по северной части и западному склону Бардымского хребта. Оба ландшафтных района в рельефе хорошо различимы. Северная граница Парка проходит по правому берегу реки Бардым до его устья. Западная граница проходит вдоль железнодорожного полотна до устья реки Демид по его левому берегу, далее по восточному берегу Михайловского пруда до реки Серги. Южная граница Парка проходит по левому берегу реки Серги, обходя с севера территорию села Аракаево. Восточная граница проходит по северной оконечности Бардымского хребта, далее по восточному склону, в районе отметки 435,9 м переходит с восточного склона на западный до соединения с южной границей Парка.

Сергинско-Уфимский грядово-равнинный район характеризуется значительным развитием карстовых явлений. Депрессия, приуроченная в тектоническом отношении к собственно Уралу — к интенсивно складчатой краевой зоне последнего, сложенной осадочными породами силура, девона и нижнего карбона — в основном известняками, с литологическими особенностями которых и связаны специфические черты его природы. Преобладающие высоты в пределах рассматриваемого района составляют 300-350 м, а в долине Серги они падают до 240−280 метров. Восточная граница проводится по контакту девонских известняков и бардымских фтанитов.

Западная граница района проходит по линии контакта силурийских, девонских и нижнекаменноугольных известняков с преимущественно песчано-сланцевой толщей среднего карбона. Поверхность района представляет собой расчлененную равнину с плоскими водоразделами и сравнительно неглубоко врезанными, но обычно крутосклонными V-образными долинами мелких речек и логов. Амплитуды высот составляют 50-70 м. Внешние особенности рельефа района хорошо выражаются термином «известняковое плато».

В районе мезозойская кора выветривания была размыта в связи с тектоническими движениями верхнего мезозоя и особенно неогена и сохранилась в некоторых углублениях древнего карста в пределах Сергинско-Уфимской депрессии. Представлены коры отложениями бурого железняка (большие месторождения выветривания), огнеупорными глинами и белыми кварцевыми песками. На территории Парка находится самый крупный в Нижнесергинском районе Миткинский рудник.

На обрывистых берегах (высотой в среднем 20 - 30 м.) видны обнажения коренных известняковых пород. Долина реки Серги узкая, всего 500 – 800 м. Река образует меандры, поочередно размывает то левый, то правый берег. Вид реки представляет собой каскад террас: низкая - 0,5−1,2 м и высокая поймы 1,5−2 м, первая 4−5 м и вторая 10−11 м надпойменные террасы. Долина Серги отличается значительным количеством карстовых объектов.

Выходы на поверхность серых и светло-серых известняков часто встречаются и на склонах долин и на выровненных участках плато, где ими сложены отдельные выступы и гривки. Значительная обнаженность района обязана своим появлением не только литологическим особенностям известняков, образующих при выветривании и размыве вертикальные стенки, но и деятельности человека. На лесосеках и пожарищах по склонам горных речек наблюдается интенсивная почвенная эрозия. Основной поверхностной формой рельефа являются карстовые воронки. К крупным тектоническим трещинам приурочены пещеры. В настоящее время в долине реки Серги обнаружено более 80 пещер.

Некоторые из пещер района отличаются крупными размерами (общая длина ходов от 200 до 650−1000 м, высота гротов до 3−10 м), имеют сталактиты и сталагмиты, натеки многолетнего льда, подземные речки и озерки: Сталактитовая, Дружба, Большая Аракаевская, Ледник. По последним исследованиям спелеологов общая протяженность ходов пещеры Дружба составляет более 1000 метров. Наиболее распространены небольшие пещеры, представляющие собой узкие щели шириной 0,25−1 м и высотой 0,4−1 м. На водоразделах и в верхних частях долин небольших речек и логов воронки обычно небольших размеров, их диаметр 3–8, реже 15-20 м. Стенки воронок часто крутые, а иногда почти отвесные и приближаются по своей форме к карстовым колодцам. В средней и нижней части логов (Федотов лог) воронки увеличиваются в размерах до 15-20, иногда до 30 м и глубиной до 10 м (Большой карстовый провал - 33 м, самый крупный на Среднем Урале), такие воронки приобретают эллиптическую форму, а иногда объединяются в слепые долины. В.И. Прокаев предлагал: «следует превратить в заповедный участок со строгим режимом охраны весь Федотов лог, где кроме пещеры «Дружба» имеется еще огромный карстовый провал, много карстовых воронок, в отвертке лога протекает ручей, исчезающий в камнях и т. д.».

Кроме современного в районе известен древний карст. У Нижнесергинского курорта известняки нижнего и среднего девона закарстованы на глубину до 500 м. По каналам древнего карста выходят на поверхность нижнесергинские минеральные воды. Киргишанско-Бардымский низкогорно-хребтовый, значительно расчленённый, район приурочен к восточной части Уфимского амфитеатра и имеет высоты 500-600 м. Западные склоны хребта более крутые и сильнее расчленённые, чем восточные. Максимальная точка хребта гора Зюран 681 м (видовая площадка Пирамида). Этой высшей части хребта соответствует наибольшее развитие покрова нижнесилурийских песчаников на толще фтанитов. Сложен Бардымский хребет в основном осадочно-вулканогенными породами, достаточно стойкими к факторам окружающей среды – кварцевые песчаники, кремнистые сланцы (фтаниты). Хребет виден со многих точек центральных маршрутов Парка.

Обнаженность склонов Бардымского хребта незначительна. В тоже время на склонах гор встречаются единичные выходы коренных пород. Они расположены на северной периферии хребта, крутых склонах глубоковрезанной долины реки Серги, отделяющей Бардымский хребет от Киргишанского увала. Наиболее крупные обнажения в г. Нижние Серги и на западных склонах Орловой горы юго-западнее города достигают 10−15 м высоты. На Бардымском хребте скалистые останцы не встречаются, что связано с сильной трещиноватостью фтанитов. Северную оконечность хребта Орлову гору ученые относят к древним подводным вулканам.

Для Бардымского хребта характерна значительная степень расчленения долинами небольших горных речек на массивные отроги, отходящие подобно зубьям гребенки от его водораздельной полосы. Поскольку верховья речек не достигли центральной полосы хребта, она сохранилась в виде единой волнистой поверхности шириной от 500 м до 3 км. Отдельные вершины хребта слабо выпуклые. Не встречаются на Бардымском хребте скалистые останцы. Это также связано с трещиноватостью породы, слагающей хребет, не образующей отдельных крупных блоков.

Западные склоны хребта возвышаются на 200−300 м над долиной реки Серги, слагаются из выпуклых «лбин» и разделяющих их крутосклонных логов. На восточных склонах хребта чередование «лбин» и логов наблюдается значительно реже, здесь больше слабо расчлененных волнистых склонов. Западный край хребта приурочен к линии древнего разлома, который до сих пор активен. Неотектонические движения сказываются на более крутом характере рельефа западного склона Бардымского хребта.

Долины рек района террасированы. На реке Серга пойма расположена на высоте до 2 м и две надпойменные террасы на высотах 4−6 и 10−12 м над урезом воды. На ряде мелких горных речек наблюдается только пойма и первая надпойменная терраса на высоте 4−5 м над меженным уровнем. Поверхность террасы плавно переходит в склоны горных массивов.

Таким образом, в Сергинско-Уфимской депрессии заповедан целый ряд памятников природы, они даже в своей совокупности не дают надлежащего представления о типичных ландшафтных особенностях этого своеобразного района данной территории. Причина в том, что охраняются главным образом лишь формы подземного карста. Целесообразно описанные геолого-геоморфологические памятники природы превратить в небольшие заповедные участки, присоединив к ним надлежащим образом выбранные соседние участки депрессии, типичные для ландшафта карстового плато. Так в настоящее время на территории Парка находятся 22 памятника природы областного значения и 2 объекта культурного наследия федерального значения.