อุทยานแห่งชาติน้ำหนาวตั้งอยู่บริเวณเทือกเขาเพชรบูรณ์ ซึ่งเป็นเขตกั้นระหว่างภาคตะวันออกเฉียงเหนือและภาคเหนือ สภาพพื้นที่ทั่วไปเป็นเทือกเขาสูงทอดยาวผ่านจังหวัดชัยภูมิและจังหวัดเพชรบูรณ์ มีลักษณะเป็นเนินยอดป้านที่เกิดจากการยกตัวของเปลือกโลกบริเวณนี้ในอดีต มีความสูงอยู่ระหว่าง 650-1,200 เมตรจากระดับน้ำทะเล ประกอบด้วย ภูกุ่มข้าว ภูผาจิตหรืออีกชื่อหนึ่ง "ภูด่านอีป้อง" ซึ่งเป็นจุดสูงสุด ที่มีความสูง 1,271 เมตรจากระดับน้ำทะเล ประกอบขึ้นเป็นป่าต้นน้ำลำธาร ต้นกำเนิดของลำธารสายยาว เช่น แม่น้ำป่าสัก แม่น้ำพอง แม่น้ำเลย ห้วยขอนแก่น ห้วยน้ำเชิญ ซึ่งไหลลงสู่เขื่อนอุบลรัตน์ และเขื่อนจุฬาภรณ์