Заповедник занимает центральную часть Хентей-Чикойского нагорья , охватывая территорию, находящуюся на стыке трех административных районов: Кыринского, Красночикойского и Улетовского.
Естественным центром заповедника является голец Сохондо. По периметру заповедника находятся другие достаточно обширные гольцовые массивы. Гольцы Южного Забайкалья своеобразны: они расположены изолированно друг от друга, имеют чаще всего плоскую обширную вершину в виде плато и несколько террас. Уплотненный снег пятнами на вершинах и террасах может держаться круглый год.
Одной из примечательных особенностей заповедника является его положение на Мировом водоразделе, который проходит по моренным грядам Джермалтай-Ингодинской депрессии. Горы Хентея являются водоразделом между бассейнами Северного Ледовитого и Тихого океанов. В заповеднике множество озер преимущественно ледникового происхождения. Некоторые карстовые озера (оз. Букукунское и Улюртуй) довольно глубоки (порядка 20 м и более). Планктон и водоросли в них почти не развиваются, поэтому вода там прозрачная, приятного голубоватого оттенка Также в заповеднике довольно много различных минеральных источников, активно посещаемых животными. Самые знаменитые из них - Аршан и Кислый с сероводородистыми водами.
Территория Сохондинского заповедника охватывает различные высотные пояса: от луговых речных долин и остепненных склонов до гольцов. Наличие разнообразных растительных формаций определяет разнообразие фауны и животного населения. Широко распространены лиственница даурская и сибирская, кедр (сосна сибирская), сосна лесная, кедровый стланик. Через Сохондо проходит восточная граница ареала сибирской лиственницы.
Обычны на каменистых склонах и среди россыпей можжевельники (сибирский и ложноказацкий). К реликтам сибирской флоры надо отнести небольшие рощицы у подножия сопок, образованные ильмами (крупноплодным и приземистым) Среди редких растений в заповеднике произрастает надбородник безлистный, башмачки настоящий, крупноцветковый и пятнистый.
На влажных лугах, по болотам и старицам рек изредка встречается ирис гладкий, а ирис тигровый растет в разреженных лесах или на участках горных степей. Кроме того, среди редких растений Сибири можно упомянуть абрикос сибирский, лилии карликовую и пенсильванскую, лук алтайский, прострел аянский, два вида родиол (в том числе родиола розовая или золотой корень). Ландшафтное разнообразие Сохондинского заповедника, наличие в нем многих природных комплексов - от степных до альпийских - обусловило и его фаунистическое богатство.
К настоящему времени установлено, что в заповеднике и прилегающих к нему территориях обитает 8 видов рыб, 3 вида амфибий, 4 вида рептилий, порядка 225 видов птиц и 67 видов млекопитающих. Зарегистрировано также свыше 1200 видов насекомых. 14 видов млекопитающих занесено в Красную книгу Читинской области, из них 6 видов в Красную книгу России. 36 видов птиц занесено в Красную книгу Читинской области; 22 вида входят в списки Красной книги России.Из млекопитающих распространены: изюбрь, косуля, кабарга, бурый медведь, лось, кабан, белка, соболь, колонок, заяц, рысь, волк , длиннохвостый суслик.
В заповеднике зарегистрированы такие виды птиц как: черный аист, гуменник, каменушка, скопа, могильник, беркут, кречет, балобан, сапсан, горный дупель (занесены в Красную книгу Читинской области), белая куропатка, тетерев, каменный глухарь, обыкновенная кукушка, мохноногий сыч, длиннохвостая неясыть. Так же зарегистрировано, несколько видов овсянок, дроздов, кедровка и многие другие виды птиц.
Самым редким и крупным представителем ихтиофауны является таймень, заходящий в нижнее и среднее течение наиболее крупных рек заповедника в период нереста. В Букукунском озере сложилась замкнутая локальная популяция ленка, отличающаяся даже морфологически. Заповедный режим обеспечивает благополучие этой интересной популяции.
Птицы: аист чёрный, каменушка, могильник, скопа
Млекопитающие: кабарга, колонок, косуля, лось, медведь бурый, олень благородный, суслик длиннохвостый
Рыбы костные: таймень