ภูมิประเทศของอุทยานแห่งชาติเป็นเทือกเขาสลับซับซ้อนตามแนวชายแดนไทย-ลาว สันเขามีลักษณะเป็นที่ราบสูง มีความลาดเท ตั้งแต่ 2 เปอร์เซ็นต์ จนถึงมากกว่า 50 เปอร์เซ็นต์ ด้านตะวันตกซึ่งเป็นพื้นที่ป่าผืนใหญ่ จะมีความลาดชันมาก พื้นที่ราบเชิงเขาเกือบจะไม่มี ด้านตะวันออกจะมีความลาดชันน้อย ลาดเทลงไปทางด้านตะวันออกมีที่ราบเชิงเขาอยู่บ้าง พื้นที่สูงจากระดับน้ำทะเลปานกลาง ตั้งแต่ 600 - 1,408 เมตร มีภูสันทรายเป็นยอดเขาสูงสุด เป็นแหล่งน้ำน้ำลำธารของแม่น้ำเหือง และ แม่น้ำแพร่