Природен парк “Сините камъни” попада в Старопланинската верига та Балканидите, формирана през неозоя, пиринейски и савски етапи. Съвременният релеф води началото си от неоген – кватернера и е резултат от действието на ендогенни и екзогенни релефоизграждащи сили и процеси, от вертикалните движения на земната кора. Последното голямо понижение е регистрирано през 1905г., в чиято местност през 1912-1913г. е предизвикано огромно свлачище вследствие активни ерозионни процеси и водни стихии.
Под влияние на ерозионните и денодационни процеси в продължения на хилядолетия се е образувал скалният масив “Сините камъни”. Срещат се интересни скални образувания от пясъчници, варовик, едрозърнести гранити и др. В района на яз.”Асеновец” преобладават горнокредните пясъчници, алеврити, мергели, лавови скали, черни сицилити и др. по долината на р. Сотирска са установени алувиални образувания, по южните склонове на вр. Мотрун – склонови насипи, изградени от пясъчници, а връх Българка се издига върху едрозърнести гранити. Тази разнообразна структура на планината е позволила на ерозионните сили да оформят могъщите плещи на Сините камъни лабиринт от върхове, огромни отвесни пропасти, пещери, долини. Това е дало повод да бъдат възвеличини като чудо на природата, наподобяващо Алпите и названи преди векове от пътешествениците – “Сливенските Алпи”.
Реките в парка са типично планински с множество прагове, вирове, водопади, което им придава възхитителен вид. В западните и източни райони доловете са по-широки, по-дълги, с по-малък наклон, гористи. А в централната част – тесни, стръмни, къси. Най-дългата и с най-просторни горски масиви във водосбора е р.Асеновска с основните си притоци р.Магарешка и р.Давидова, най-пълноводната е р.Аблановска, а едни от най-интересните водни течения са тези на реките Новоселска, Кушбунарска, Сотирска и Дълбоки дол.
Климатът е умерено-континентален с преобладаващ пренос на въздушните маси от Атлантически океан и често срещани далечни континентални и Средиземноморски нахлувания. Чувства се влиянието и на Черно море. Приблизителните обсолютни температури са +41?С до –20?С. През лятото по високите части е прохладно, а в по-ниските – сухо и горещо. През зимата често се задържа сняг в м. Даула и Кушбунар, като най-ранната дата на появяване на снежната покривка е около 2 ноември, а най-късната дата на изчезването й – в началото на месец март. Максимумът на валежите е през май, а минимумът . през август.
Ветровете са северозападни и северни. Характерен е вятърът бора?, известен като Сливенски”. В подножието на планинските склонове и по речните долини през лятото се създава местният планинско-долинен вятър (“вечерник”), сменящ посоката си през денонощието – през деня – към планинските склонове, а през нощта – към долината.
Основните типове почви са канелени излужени горски почви и кафяви горски. Срещат се и интразонални почви като хумусно-карбонатни, делувиални, Lithosols.
Почвообразуващите скали на канелените горски почви са представени от конгломерати, пясъчници, глини, туфи и др. Заемат надморски височини до 700 – 800 м. Месторастения са на дъбовата и габъровата растителност. Кафявите горски почви са разположение между 800 и 100м н.в. Почвообразуващите скали са пясъчници, варовици, доломити, бречко конгломерати.
Паркът е известен и с различните по вид минерални богатства, свидетелства за които са изкопите над м.Змееви дупки, добива в древността на желязна и манганова луди, на каменни въглища.