Заповедник расположен на полуострове Абрау, находящемся на северо-востоке Черного моря, юго-восточнее Таманского полуострова, примерно в 100 км от Керченского пролива. Полуостров ограничен с севера и северо-запада долиной реки Маскага – Анапка, с юго-востока и востока долиной реки Цемес и Цемесской бухтой.
Территория относится к самой западной части Северо-Черноморской провинции Большого Кавказа, характеризующейся преобладанием предгорных и низкогорных ландшафтов лесного типа.
Климат умеренно-теплый – довольно жаркое сухое лето и относительно теплая зима без устойчивого снежного покрова. Наибольшее количество осадков выпадает в ноябре, декабре и январе, а наименьшее – в мае-августе.
На Утрише расположен единственный хорошо сохранившийся в Северном Причерноморье участок типичных восточно-средиземноморских ландшафтов. На территории заповедника произрастают три вида древовидных краснокнижных можжевельников, фисташка туполистная, пицундская сосна, множество других растений, которые встречаются только здесь. Они образуют уникальные можжевелово-фисташковые леса – главную ценность заповедника.
Всего насчитывается 75 видов травянистых растений, 107 видов деревьев и кустарников. Около 60 видов занесены в Красную книгу. В лесах Большого Утриша найдены деревья в возрасте до 1000 лет.
На территории ГПЗ "Утриш" встречается 19 видов птиц, охраняемых законодательством Российской Федерации и Краснодарского края. Наибольшее значение данная территория имеет для сохранения гнездящихся и регулярно обитающих в соответствующие сезоны птиц: чернозобой гагары, сапсана, змееяда, орла-карлика, лесного жаворонка, пестрого каменного дрозда.
Из пресмыкающихся стоит упомянуть средиземноморскую черепаху, для которой это единственное место обитания в России, и эскулапова полоза.
Насчитывается 56 видов беспозвоночных. Среди них: кишечнополостные — 1 вид; полихеты — 14 видов; моллюски — 13 видов; ракообразные — 22 вида; мшанки — 4 вида и 2 вида асцидий. Из насекомых – открытая здесь эмпуза полосатая, ранее известная только по находкам из Крыма, дыбка степная, редкие виды средиземноморских бабочек.
Акватория, включённая в территорию заповедника, характеризуется высоким видовым разнообразием различных типов водорослей, фито- и зоопланктона. На этом участке обнаружено 227 видов водорослей.
В этих местах проходят миграционные пути и частично нагул ставриды, скумбрии и хамсы, а вслед за ними — пути миграций афалин.