הפארק הלאומי סגווארו שוכן בתחום פרשת המים של הנהר סנטה קרוז הזורם צפונה, שהוא בדרך כלל יבש. נחל רינקון קריק בחלק הדרומי של נפת הרי רינקון, זורם לפחות בחלק מהשנה וכולל את אזור צמחיית הגדות הנרחבת ביותר בפארק. הנחל הוא יובל של פנטנו וואש (Pantano Wash), החוצה את טוסון מדרום-מזרח לצפון-מערב בדרכו לטנק ורדה וואש (Tanque Verde Wash). שני נחלי האכזב מתחברים לנחל אכזב נוסף, נחל ריאיטו (Rillito River), יובל של הסנטה קרוז שכיוונו ממזרח למערב. נחלי האכזב בשתי הנפות יבשים בדרך כלל, אבל מדי פעם מתרחשים בהם שיטפונות בזק. אזורי צמחיית גדות קטנים יותר מצויים במעיינות ובגבים (המכונים על בסיס השם הספרדי טינאחה – tinaja) בנפת הרי רינקון. המעיין הגדול ביותר הוא במחנה מנינג (Manning Camp), גבוה בהרי רינקון.
גאולוגיה.
הסלעים העתיקים ביותר בפארק הלאומי סגווארו, צפחת פינאל (Pinal Schist), קודמים להיווצרות פרובינציית אגן ורכס, שהפארק הוא חלק ממנה, בכ-1.7 מיליארד שנים מהפרקמבריון. הצפחה נחשפת בנפת הרי רינקון לאורך נחל אכזב מרחק קצר מכביש הלולאה יער הקקטוס (Cactus Forest Loop Drive). סלעים עתיקים נוספים, סלעי גרניט בני 1.4 מיליארד שנים מהווים את מרבית רכס טאנק ורדה (Tanque Verde Ridge) בנפת הרי רינקון.
זמן רב אחר כך בפלאוזואיקון, לפני כ-600 מיליון שנים, כיסו ימים רדודים את האזור סביב טוסון של ימינו, במהלך השנים שקעו בהם סלעי משקע: אבן גיר, אבן חול ופצלים. אבן גיר, הקיימת בפארק בכמה מקומות, נחצבה מכאן בשלהי המאה ה-19 על מנת לייצר מלט. בשטח הפארק לעתיד היו שישה כבשני סיד, שניים בנפת הרי טוסון וארבעה בנפת הרי רינקון. בשלושה מתוכם, כולם בנפת הרי רינקון אפשר לבקר כיום. שניים לאורך שביל יער הקקטוס (Cactus Forest Trail), ואחד לאורך שביל רואיז (Ruiz Trail).
לפני כ-80 מיליון שנים גרמו תנועות של לוחות טקטוניים לתקופה של בניית הרים, האורוגנזה הלרמידית, שנמשכה עד לפני כ-50 מיליון שנים במערב אמריקה הצפונית. התפרצויות געשיות מתפוצצות יצרו את הרי טוסון לפני כ-70 מיליון שנים, ופסגת הר הגעש במרכזם התמוטטה ויצרה קלדרה בקוטר של 19 קילומטרים. הקלדרה התמלאה בסופו של דבר בשברי סלעים, מחדרים של סלע פלוטוני וקילוחי לבה, אחדים בין לפני 30 ל-15 מיליון שנים. סלעים געשיים שנחשפו בנפת הרי טוסון או בקרבתה הם שרידים לאירועים אלו. הדוגמאות כוללות ברקציה שנחשפה במעבר גרנטס (Grants Pass) ושיורים גרניטיים של תא מאגמה, שבהם ניתן לצפות באזור הפיקניק סוס (Sus Picnic Area) בנפת הרי טוסון. לא כל הגרניט המותך הגיע לפני השטח של הרי טוסון. חלקו התקרר והתגבש מתחת לפני השטח.
אגן טוסון וההרים הסמוכים – כולל הרי טוסון במערב, הרי סנטה קטלינה מצפון והרי רינקון ממזרח – הם חלק מפרובינציית אגן ורכס המשתרעת מצפון מקסיקו ועד דרום אורגון בארצות הברית. הפרובינציה שמקורה בפעילות צעירה במונחים גאולוגיים, נוצרה כאשר עקב תנועת הלוחות הטקטוניים קרום כדור הארץ התמתח ונעשה דק יותר בחלק זה של מערב אמריקה הצפונית עד שהקרום נקרע לאורך העתקים. העתק קטלינה (Catalina Fault), העתק התנתקות תשתית (Detachment fault), החל להיווצר לפני כ-30 מיליון שנים כ-10 עד 13 קילומטרים מתחת להרי טוסון. הסלעים שמתחת להעתק, הסלעים שבתחתית הלוח הטקטוני, נעקרו בסופו של דבר 26 עד 35 קילומטרים מזרחית-צפונית-מזרחית יחסית לסלעים שמעל להעתק, ואז התרוממו, עברו סחיפה והתעגלו בצורת כיפה על מנת ליצור את הרי רינקון והרי סנטה קטלינה של ימינו. אף שהסלעים הגעשיים אותם רואים על פני השטח של נפת הרי רינקון, אינם מצויים בנפת הרי רינקון, הגרניט הקריסטליני (גנייס קטלינה) מתחת להרי טוסון נחשף על פני השטח של נפת הרי רינקון. גנייס מפוספס (banded gneiss) זה הוא סוג הסלע הנפוץ בהרי רינקון וניתן לראותו בנפת הרי רינקון באתרים כדוגמת סלעי ג'אוולינה לאורך כביש הלולאה יער הקקטוס.
אקולוגיה.
התפשטות אורבנית, זיהום אוויר ומים, רעשים, זיהום אור, וההגבלות שהתשתית האנושית מטילה על בתי הגידול יוצרים עקה על היונקים ובעלי החיים האחרים בפארק, אבל האיום הרציני ביותר עליהם הוא דריסה. כ-50,000 חולייתנים נדרסים למוות בכבישי הפארק כאשר פוגע בהם רכב. בנפת הרי רינקון יש מעט כבישים, אבל כביש הסלעים הציוריים (Picture Rocks Road), כביש מהיר החוצה את נפת הרי טוסון ממזרח למערב, מסוכן מאוד לבעלי חיים. ניסיון ב-2002 להפוך אותו לשביל הליכה נכשלו לאחר שההצעה נתקלה בהתנגדות ציבורית עזה.
איי שמיים.
הרי רינקון והרי סנטה קטלינה הקרובים (אבל לא הרי טוסון הנמוכים יותר) הם חלק מכ-40 רכסי הרים המכונים איי השמיים המדרייניים שלביולוגים יש בהם עניין מיוחד. רכסים אלו, הדומים לסדרה של אבני מדרך בנתיב מים בין הקצה הדרומי של הרי הרוקי, במיוחד שולי מגיון של רמת קולורדו, בארצות הברית ורכס סיירה מדרה אוקסידנטל במקסיקו, הם "איים" יבשתיים המופרדים על ידי "ימים" של עמקים בגובה נמוך המקשים, אבל לא חוסמים לחלוטין נדידה של מינים מאי שמיים אחד למשנהו. האקולוג פיטר וורשול (Peter Warshall) פירט כמה מאפיינים ההופכים את המכלול המדרייני ייחודי בין כ-20 מכלולי איי השמיים בכדור הארץ. בהם הכיוון צפון-דרום לרוחב 8 מעלות של קווי רוחב תוך חצייה של אזורי אקלים ממוזג לסובטרופי, האופי המגוון מאוד של המקור הגאולוגי של ההרים וקרקעותיהם, התבליט המתון עד החד של פני השטח, ומרחקם מאזורי ההכחדה ההמונית הקשורה לקרחונים בצפון בעידן הקרח האחרון. כתוצאה ממאפיינים אלו ותנאים נוספים מאפשרים איי השמיים המדרייניים מגוון ביולוגי יוצא דופן.
צמחים ופטריות.
חבורות הצמחייה בתוך הפארק משתנות עם הגובה. בנפת הרי טוסון יש כ-400 מיני צמחים בשתי חבורות מובחנות, צמחיית מדבר נמוכה, כדוגמת מלוח מאפיר ("Atriplex canescens") ו-"Encelia farinose" (באנגלית brittlebush שיח ממשפחת המורכבים), בגבהים הנמוכים וערבת עשב מדברית גבוה קצת יותר. בנפת הרי רינקון יש כ-1200 מיני צמחים בשתי חבורות הצמחייה כשל נפת הרי טוסון ובארבע חבורות נוספות בגובה רב יותר, יער אלונים, יער אלונים-אורנים, יער אורנים, וגבוה בהרי רינקון, יער מעורב מחטניים – רחבי עלים, אשוח דאגלס מתת-המין "Pseudotsuga menziesii glauca" (באנגלית Rocky Mountain Douglas fir, "אשוח דאגלס של הרי הרוקי"), אורן הזפת, אשוח לבן, אלון גמבל ("Quercus gambelii") ומינים רבים אחרים של עצים, שיחים וצמחיית תת-היער. במהלך ספירת המלאי השנתית ב-2011 ו-2013, זיהו מאות של מדענים ואלפי מתנדבים 389 מינים של צמחים וסקולריים, 25 מינים של צמחים שאינם וסקולריים ו-197 מינים של פטריות בפארק הלאומי סגווארו.
מין הקקטוס סגווארו, המשגשג בשתי הנפות של הפארק, גדל בקצב איטי במיוחד. הזרוע הראשונה של הסגווארו מופיעה בדרך כלל כשהקקטוס בן 50 ל-70 שנים, אף שהוא יהיה קרוב יותר לבן 100 שנים במקומות שבהם כמות המשקעים נמוכה במיוחד. סגווארו יכול לחיות עד 200 שנים ונחשב בוגר בגיל 125 שנים. סגווארו בוגר יכול לגדול לגובה של 18 מטרים ולשקול עד 2,200 קילוגרם כשהוא רווי לגמרי במים. כמות הפרטים של הסגווארו בפארק נאמדת ב-1.8 מיליון, ובפארק מצויים בשפע 24 מינים אחרים של קקטוס. הנפוצים ביותר הם: פרוקקטוס ויסליצני ("Ferocactus wislizeni"), "Cylindropuntia echinocarpa" (באנגלית Staghorn cholla), אכינוצראוס פנדלר ("Echinocereus fendleri"), "Opuntia engelmannii" (באנגלית Engelman's prickly pear), "Cylindropuntia bigelovii" (באנגלית Teddybear cholla) ו-"Cylindropuntia fulgida" (באנגלית Jumping cholla).
צמחים פולשים כוללים זיף-נוצה ("Pennisetum"), אשל, דרדר מלטזי ("Centaurea melitensis") ורבים אחרים, אבל האיום החמור ביותר למערכת האקולוגית הטבעי הוא ללא ספק זיף-נוצה ריסני ("Cenchrus ciliaris", באנגלית buffelgrass). צמח עמיד לבצורת זה, שגדל במקור בחלקים מאפריקה ואסיה, יובא לארצות הברית בשנות ה-30 של המאה ה-20 ונשתל בסמוך לטוסון ובמקומות אחרים במטרה לייצור עשב למרעה בקר ולמנוע סחיפה. הצמח אותר בפארק לראשונה ב-1989, והתפזר באופן נרחב בשתי הנפות. זיף-הנוצה הריסני מתחרה עם צמחים אחרים על מחייתו וממלא את החללים הריקים שנמצאים בדרך כלל בין צמחים מדבריים מקומיים ויוצר סיכון אש משמעותי. עשב שוטה זה שנחשב בלתי אפשרי לחסל לחלוטין, מטופל בכמה אזורים של הפארק ובאזורי המגורים של טוסון באמצעות עקירה ידנית, ובתקופות של גשמים באמצעות ריסוס בקוטלי עשבים המבוססים על גלייפוסט.
בעלי חיים.
למרות האקלים הצחיח שוכנים שלושה מינים של דו-חיים בפארק. אילנית הסלעים ("Hyla arenicolor"), "Lithobates yavapaiensis" (באנגלית lowland leopard frog) ומין החפרית אמריקאית "Scaphiopus couchii" (באנגלית Couch's spadefoot toad), החיה במחילות תת-קרקעיות, מהן היא יוצאת להתרבות במהלך גשמי הקיץ. שרפות יער, היוצרות שטחים שרופים המועדים לסחיפה, החריבו שלוליות רבות שבהן נהגה הצפרדע "Lithobates yavapaiensis" להתרבות, כיוון שהתמלאו בסחף. מחלקת הציד והדגה של מדינת אריזונה מציינת מין צפרדע זה כראוי להשגחה מיוחדת.
36 מיני הזוחלים בפארק כוללים את צב המדבר ("Gopherus agassizii"), עכסן אימתן (אחד הנחשים הנפוצים ביותר), פתן אלמוגי, הלודרמה מרירית, איגואנית קצרת-קוצים ("Phrynosoma hernandesi"), "Sceloporus magister" (באנגלית Desert spiny lizard) ולטאת זנב הזברה.