הפארק שוכן באזור ההררי של רכס קסקייד, כששיא גובהו עובר 4,000 מטרים מעל פני הים ואקלימו הוא אקלים תת-ארקטי (סיווג "Dfc" על פי שיטת קפן) עם מגמת יובש בקיץ. באזורים מערבית להרים האקלים הוא ימי, בעוד שהאקלים באזורים מזרחה הוא יותר יבשתי.
בחלק המערבי של הפארק כמות המשקעים גדולה מאוד בין אוקטובר למאי בשל השפעת האוקיינוס, כשבמקומות הגבוהים עיקר המשקעים בצורת שלג. כמות המשקעים גדולה במיוחד משום שהמדרון המערבי של רכס קסקייד יוצר מסך החוסם את הלחות מגושי האוויר הלח המגיעים מהאוקיינוס. כמות השלג בגבהים הרמים רבה במיוחד. כמות השלג השנתית הממוצעת בתחנת המדידה בפרדייז ריינג'ר (Paradise Ranger) בגובה 1,647 מטרים מעל פני הים היא 16 מטרים בשנה. שירות הפארקים הלאומיים מציין ש"פרדייז הוא המקום המושלג ביותר על פני כדור הארץ היכן שנערכות מדידות באופן קבוע".
בחורף של שנת 1971/1972 הייתה כמות השלג שירדה 28.5 מטרים, שיא עולמי עד לאותה שנה. השיא נשבר בחורף 1998/99 כשעל אזור הר בייקר בצפון רכס קסקייד ירדה כמות של 29 מטרים שלג. פרדייז מחזיק בשיא של רכס קסקייד לכמות השלג על הקרקע עם 9.32 מטרים ב-10 במרץ 1956. בחלק המזרחי של הפארק האקלים יבש יותר כשחורפים קרים יותר והקיצים חמים יותר.
הידרוגרפיה.
כל הנחלים בשטח הפארק משתייכים לאגן הניקוז של האוקיינוס השקט. המקורות של מרביתם בהר ריינייר. כמות הגשמים הגדולה היורדת באזור במשך כל השנה בתוספת למי הפשרת הקרחונים מזינים נחלים אלו. ההר הוא משכן לאזור הקרחונים הנרחב ביותר מחוץ לאלסקה.
יותר מ-470 פלגים, נחלים ונהרות זורמים בשטח הפארק. הנהרות הראשיים הם הנהר וייט (White River) הזורם בצפון-מזרח הפארק, הנהר קרבון (Carbon) הזורם בצפון-מערב הפארק, הנהרות פיואולאפ (Puyallup) ומואיץ' (Mowich) במערב, ניסקוואלי (Nisqually) בדרום-מערב, והנהרות מדי פורק (Muddy Fork) ואוהנאפקוש (Ohanapecosh), יובלים של הנהר קאוליץ (Cowlitz) שמחוץ לפארק, בדרום-מזרח. הנהרות זורמים בדרך כלל בקניונים שעומקם בין 300 ל-900 מטרים ושיפועם נעשה תלול יותר במעלה הזרם.
הנהרות באזור שייכים לאגני הניקוז של שלושה נהרות. הנהרות וייט, קרבון ומואיץ' הם יובלים של הנהר פיואולאפ הנשפך מערבית לפארק במפרץ פיוג'יט, לשון ים של האוקיינוס השקט. גם הנהר ניסקוואלי זורם לקצה הדרום-מזרחי של מפרץ פיוג'יט. הנהר קאוליץ הוא יובל של הנהר קולומביה הזורם לאוקיינוס השקט בגבול בין מדינת וושינגטון למדינת אורגון.
הפארק הוא משכן ל-400 אגמים, כשאגם מואיץ' (Mowich Lake) הוא גוף המים הגדול בפארק. האגם שוכן בגובה 1,500 מטרים, משתרע על שטח של 500 דונם ועומקו המרבי 17 מטרים. הפארק משופע במפלים כדוגמת מפלי קריסטין (Christine Falls), מפלי נראדה (Narada Falls) ומפלי קומט (Comet Falls).
קרחונים.
בשטח הפארק יש 29 קרחונים שיש להם כינוי, על פני שטח בן כ-80 קילומטרים רבועים, כ-8.5% משטח הפארק. כ-25% אחוז משטח הקרחונים (כ-20 קילומטרים רבועים) מכוסים בחומר מפורר, שמקורו במפולות סלעים, חומר שנישא ברוח או שברי סלעים שמקורם במורנה תיכונה. שכבת החומר המפורר מגינה על הקרחון מקרני השמש ולכן מאיטה את קצב התמוססותו. הקרחונים בשטח הפארק מהווים אינדיקטורים חשובים לשינוי האקלים, והם מקור חיוני למים עבור מערכות הנהרות שמקורם בפארק. מצד שני הקרחונים הם גם מקור לשיטפונות בזק שנגרמו בשל טמפרטורות חמות מהרגיל או בשל ירידת גשמים. השיטפונות נושאים איתם חומר מפורר הנמצא בשפע בשטח וגורמים לנזקים לתשתיות בפארק.
קרחון אמונס (Emmons Glacier) הוא הקרחון ששטחו, כ-11 קילומטרים רבועים, הוא הגדול ביותר בכל 48 המדינות הרצופות של ארצות הברית. קרחון קרבון (Carbon Glacier) הוא הקרחון השלישי בשטחו בפארק (7.26 קילומטרים רבועים), אבל הגדול ביותר בנפחו ולכן גם הקרחון שנפחו הגדול ביותר בכל 48 המדינות הרצופות. נקודת הקצה של קרחון קרבון היא במקום הנמוך ביותר (בגובה 1,097 מטרים) ב-48 המדינות הרצופות, והוא הקרחון המכוסה ביותר בחומר מפורר, 4.8 קילומטרים רבועים (66% משטחו). ככל הנראה זרם קרחון קרבון בעידן הקרח האחרון ישירות למפרץ פיוג'יט. בלוע הר הגעש שבפסגת הר ריינייר נוצר קרחון (Summit Crater Glacier) משלג שהצטבר בפסגה ונדחס לקרח שעוביו 60 מטרים. חלק מהקרח זורם מזרחה, אבל רובו נמס מהטמפרטורה הגבוהה של הקרקע בלוע הר הגעש, תוך יצירת מבוך של מנהרות בקרח שבהן זורם קיטור. מטפסים שהגיעו לפסגה מנצלים מנהרות אלו כמקלט בפני סופות כשהם יורדים לתוכן מפתחים שבשולי הלוע.
השוואה בין מדידות שנערכו בין השנים 1896 ל-2015 הראו הצטמצמות של הקרחונים ב-52 קילומטרים רבועים, כ-39%, שווה ערך להצטמצמות ממוצעת של 0.44 קילומטרים רבועים לשנה במהלך 119 השנים מהמדידות הראשונות. ההפרש בין מדידות שנערכו ב-2009 ל-2015 מראים הצטמצמות של 1.8% בשטח הקרחונים וקצב הצטמצמות של 0.24 קילומטרים רבועים בשנה. ההערכה היא שאם האקלים באזור ימשיך להשתנות באופן שבו הקרחונים הולכים ומצטמצמים יש לצפות לאובדן נוסף של שטח הקרחונים, כשכל הקרחונים הקטנים (ששטחם פחות מ-0.2 קילומטרים רבועים) ייעלמו בעשורים הקרובים.
גאולוגיה.
הסלעים העתיקים ביותר ברכס קסקייד נוצרו לפני כ-400 מיליון שנים כסלעי משקע בקרקעית האוקיינוס השקט. הם הוצבו על פני השטח של הקצה המערבי של מה שהיא כיום יבשת אמריקה הצפונית כתוצאה מתנועות לוחות טקטוניים קטנים לצפון-מערב. לחץ עז שהופעל על הסלעים המיר אותם לגנייס ולווחה. לוחות ימיים טקטוניים קטנים אלו התנגשו בלוח הצפון-אמריקאי הגדול לפני כ-90 מיליון שנים, והקרקע החלה להתרומם לאיטה. הכיוון של מרבית שלשלות ההרים מצפון-מערב לדרום-מזרח הוא תוצאה של התנגשות זו. ההרים שנוצרו אז נסחפו כמעט לחלוטין.
לפני כ-35–40 שנים התנגשו לוחות ימיים בזלתיים חדשים, לוח גורדה ולוח חואן דה פוקה בלוח הצפון-אמריקאי הגדול הרבה יותר, ובהיותם כבדים יותר עברו הפחתה מתחתיו תוך כדי המסה, יצירת מאגמה, געשיות ויצירת הרים, בהם הרי הגעש של רכס קסקייד, תופעה המוכרת כקשת הגעשית של רכס הקסקייד. התהליך עדיין נמשך והרכס עדיין מתרומם. קרוב ל-500 קילומטרים מהחוף שוקע מרכז לוח גורדה כמעט 2.5 סנטימטרים בשנה מתחת ללוח הצפון-אמריקאי. חלק מהמאגמה מתקררת בצניחה למעטפת כדור הארץ והופכת לסלעי גרניט. סלעים אלו נדחקים למעלה ונמצאים בבסיס ההרים של ימינו.
הר ריינייר החל להיווצר לפני כמיליון שנים כאשר ההרים השכנים היו בני קרוב ל-12 מיליון שנים. כיפת הר הגעש בנויה מסלעים אנדזיטיים. זהו הר הגעש הגבוה ביותר ברכס קסקייד והשלישי בנפחו אחרי הר אדמס (Mount Adams) והר שסטה.
החוקרים משערים שבמהלך היווצרותו היה הר הגעש גבוה בכ-300 מטרים מגובהו הנוכחי, אבל חלקו העליון התמוטט בשל התפרצויות געשיות. במהלך ההיסטוריה הגאולוגית עוצבו מדרונותיו של ההר בשל סחיפה מקרחונים. ההר היה מכוסה בעבר בקרחונים עבים עד כדי כך שקילוחי הלבה מההתפרצויות הגעשיות לא הצליחו להמיס אותם והם הצטננו במהירות במקומם. עקב כך ניתן לראות קילוחי לבה גבוה בקו הרכס או בשולי העמקים. אחד ההסברים לעומק הרב של הקניונים הוא שקילוחי הלבה, שבמצבים אחרים היו זורמים למטה וממלאים את העמקים, קפאו במקומם עקב הקרחונים.
ההתפרצויות האחרונות של הר הגעש אירעו במאה ה-19. ההר מוגדר כהר געש רדום, אבל הוא יכול להתפרץ כפי שהתפרצו הר לאסן ב-1916 והר סנט הלנס ב-1980. סייסמוגרף מודד ברציפות את הפעילות הסייסמית של ההר. אף על פי שהפעילות קטנה, היא קבועה. גאולוגים משערים שפעילות זו נגרמת בשל זרימה של נוזלים חמים מתחת להר הגעש, שהם המקור ליצירת המעיינות החמים או פומרולות בפארק.
הר ריינייר הוא ככל הנראה הר הגעש עם פוטנציאל ההרס הגדול ביותר ברכס קסקייד. מלבד גודלו העצום, הקרחונים הרבים שעל פסגתו יתמוססו במקרה של התפרצות וייצרו להארים גדולים. הלהארים יכולים להגיע למיליוני התושבים באזור המטרופוליטני של סיאטל, אבל גם לתושבים בצפון-מערב אורגון. שברי סלעים שנמצאו סמוך למפרץ פיוג'יט במטרופולין של סיאטל מעידים שתופעות כאלו כבר התרחשו בעבר.
המראה הנוכחי של ההרים הוא תוצאה של פעילות קרחונים גדולים מאז עידן הקרח ועד היום. תוואי נוף אופייניים שהם תוצאה של פעילות קרחונים הם קרקסים קרחוניים, אגמים קרחוניים מורנות מסוגים שונים (מורנה תיכונה, מורנה צידית ומורנת קצה), סימני חריצה קרחונית, גבנוני כבשים ועמקים קרחוניים. כמות הקרחונים הגדולה היא תוצאה של מיקום הפארק בקצה המערבי של רכס קסקייד, ולכן כמות המשקעים בו רבה במיוחד.
אקולוגיה.
על פי ההגדרה של הסוכנות להגנת הסביבה של ארצות הברית הפארק שוכן בתחומי האזור האקולוגי קסקיידס (Cascades ecoregion), אזור אקולוגי מרמה 3 (Level III ecoregion), בתחומי הקורדיליירה המערבית (Western Cordillera) של ההרים המיוערים של צפון-מערב (Northwestern Forested Mountains). על פי ההגדרה של הקרן העולמית לשימור חיות הבר הפארק הלאומי שוכן באזור האקולוגי של היערות של מרכז ודרום הקסקיידס (Central and Southern Cascades forests), המאופיין ביערות של מחטניים ואקלימו גשום יותר במערב.
הפארק הלאומי משתרע על פני שלושה אזורים אקולוגיים עיקריים, ולכו המגוון הביולוגי בו גדול. מתחת לגובה של 1,500 מטרים שוכן האזור המיוער, בין 1,500 ל-1,800 מטרים האזור התת-אלפיני, ומעליו האזור האלפיני. האזור המיוער משתרע על כמעט 60% משטח הפארק בעוד ששני האזורים האחרים מתחלקים פחות או יותר שווה בשאר השטח.