ภูเก้า มีสัณฐานคล้ายกระทะหงายโดยมีที่ราบอยู่ตอนกลาง พื้นที่เช่นนี้ทำให้สันนิษฐานได้ว่าพื้นที่ส่วนนี้น่าจะเป็นซากภูเขาไฟโบราณที่ดับสนิทไปแล้วหลายร้อยล้านปี หรือมิฉะนั้นก็เป็นการโก่งตัวของเปลือกโลกในบริเวณนี้ขึ้นมาเป็นขอบเทือกเขา เทือกเขาภูเก้าเป็นเทือกเขาสองชั้น ชั้นนอกเป็นภูเขาสูงและมีความลาดชันมาก ไหล่เขาด้านในมีความลาดชันไม่มากนัก พื้นที่ส่วนใหญ่มีลักษณะสูงๆต่ำๆ บางแห่งเป็นที่ราบ
ภูพานคำ เป็นแนวทิวเขายาวในเทือกเขาภูพาน เรียงตัวตามแนวทิศตะวันออกเฉียงเหนือ-ตะวันตกเฉียงใต้ บริเวณทิศตะวันตกเฉียงใต้ของเทือกเขาเป็นแอ่งที่ราบต่ำลุ่มน้ำพอง ซึ่งเป็นหุบเขาขนาดใหญ่ เมื่อมีการสร้างเขื่อนอุบลรัตน์ พื้นที่ดังกล่าวนี้กลายเป็นทะเลสาบ ซึ่งเป็นพื้นที่อุทยานฯมีเนื้อที่ประมาณครึ่งหนึ่งของภูพานคำ

การเดินทางไปสู่อุทยานแห่งชาติภูเก้า-ภูพานคำ สามารถใช้ได้ 2 เส้นทางคือ
จากจังหวัดอุดรธานี ใช้เส้นทางสายจังหวัดอุดรธานี-หนองบัวลำภู-โนนสัง ระยะทาง 85 กิโลเมตร แล้วแยกที่บ้านโสกก้านเหลืองเข้าไปอีกประมาณ 7 กิโลเมตร
จากจังหวัดขอนแก่น เดินทางไปยังเขื่อนอุบลรัตน์โดยใช้เส้นทางสายขอนแก่น-อุบลรัตน์ระยะทาง 50 กิโลเมตร และเดินทางต่อจากเขื่อนอุบลรัตน์ไปยังที่ทำการอุทยานฯ ระยะทางประมาณ 7 กิโลเมตร