Кроме материкового участка в заповедник входят волжские острова Середыш и Шалыга. Острова расположены севернее основного участка, их максимальная ширина не превышает 1 км, общая протяженность с запада на восток 5 км, общая площадь островного участка с заповедной акваторией Саратовского водохранилища около 540 га, а площадь материкового участка 22,6 тыс. га. Оба участка входят в Ставропольский район Куйбышевской области. Администрация заповедника находится в посёлке Бахилова Поляна.
Границы природных зон в регионе разными исследователями проводятся неодинаково. Одни полагают, что северная часть Самарской Луки, где расположен заповедник, относится к подзоне смешанных лесов, а южная - к подзоне луговых степей, т. е. лесостепи , другие полностью относят Самарскую Луку к лесостепной зоне. В соответствии с естественноисторическим районированием по Самарской Луке в широтном направлении проходит граница между Центральной провинцией лесостепной и Заволжской провинцией степной зоны. По физико-географическому районированию Среднего Поволжья, территория Самарской Луки выделена в самостоятельный жигулевский возвышенно-равнинный район лесостепной провинции Приволжской возвышенности.
Такие различия во взглядах на зональную принадлежность Самарской Луки отражают уникальность этой территории, наличие интразональных элементов, свойственных как расположенной севернее подзоне смешанных лесов, так и более южной степной зоне. В силу этих особенностей Жигулевский заповедник репрезентативен только для восточной части Самарской Луки и наиболее полно представляет ее северную, горную территорию и примыкающее к ней плато и в меньшей степени - комплексы Волжской поймы и древних долин.
Заповедник находится в поясе континентального климата умеренных широт с характерными вторжениями арктического и тропического воздуха. Безморозный период в долине Волги в районе заповедника в среднем продолжается 159 дней, с 29 апреля по 4 октября, однако со значительными отклонениями в отдельные годы. Длительность безморозного периода очень зависит от положения в рельефе. На плато Самарской Луки вероятность весенних заморозков после 15 мая и осенних раньше 20 сентября составляет 50%, в долине Волги - 10%.
На Самарской Луке выпадает в год 500 мм осадков. Неравномерность поступления осадков приводит к довольно частой повторяемости засух и периодов затяжных осадков. Засухи наиболее часты во второй и третьей декадах мая и первой декаде июня, затяжные осадки - чаще всего в январе и первой и второй декадах февраля, а также во второй половине октября - первой декаде ноября.
