สภาพภูมิประเทศของอุทยานแห่งชาติน้ำตกแม่สุรินทร์เป็นเทือกเขาและภูเขาสูงสลับซับซ้อน ทอดตัวยาวตามแนวทิศเหนือจดทิศใต้ ทิศตะวันออกจะเป็นภูเขาสูงชันลาดไปทางทิศตะวันตก มีภูเขาหินและหน้าผาสูงชันในลักษณะที่แตกต่างกันและคล้ายกัน มีความสูงต่ำจากระดับน้ำทะเลอยู่ในช่วง 300-1,752 เมตร ยอดเขาที่สูงที่สุด คือ ดอยปุย รองลงมาคือ ดอยต้นห้วยผาคอ สูง 1,601 ดอยห้วยมีสะมาด สูง 1,465 เมตร ดอยห้วยไม้คอง สูง 1,474 เมตร ดอยบ้านไมโครเวฟ สูง 1,474 เมตร ดอยปลายห้วยแม่จ๋ายำ สูง 1,407 เมตร ดอยผาคอ สูง 1,352 เมตร ดอยบ้านห้วยฮะ สูง 1,359 เมตร และดอยต้นห้วยตองจิง สูง 1,310 เมตรจากระดับน้ำทะเล และเป็นต้นกำเนิดของลำธารต่างๆ หลายสาย ลำน้ำส่วนใหญ่จะไหลจากทิศตะวันออกสู่ทิศตะวันตก ลำธารและลำน้ำที่สำคัญ ได้แก่ ลำน้ำปาย ลำน้ำแม่สะมาด ห้วยปงกุน น้ำแม่สะกึด ห้วยม่อนตะแลง น้ำแม่ฮ่องสอน ห้วยโป่ง น้ำแม่สุรินทร์ ห้วยนาอ่อน ห้วยเฮี้ย ห้วยอูคอน้อย และห้วยอูคอหลวง ซึ่งลำธารเหล่านี้ไหลลงสู่ แม่น้ำปายและแม่น้ำยวม