Park wraz z otuliną leży w środkowej części województwa wielkopolskiego, około 10 km na północny wschód od centrum Poznania. Według regionalizacji fizycznogeograficznej Polski tereny parku znajdują się w przeważającej części w obrębie Pojezierza Gnieźnieńskiego, natomiast jego południowe krańce położone są w granicach Równiny Wrzesińskiej. Omawiany obszar stanowi centralną część dużego kompleksu leśnego umownie nazwanego Puszczą Zielonką, obejmującego około 15 000 ha.

Rzeźba parku została ukształtowana podczas poznańskiej fazy zlodowacenia bałtyckiego. Dominującą jednostką geomorfologiczną są tu płaskie równiny sandrowe urozmaicone strefą pagórków moreny czołowej z najwyższym wzniesieniem – Dziewiczą Górą (143 m n.p.m.). Lądolód pozostawił również po sobie wyżłobione rynny jeziorne ciągnące się kilometrami. Najdłuższa z nich biegnie od Pobiedzisk przez Murowaną Goślinę po dolinę Warty i to w niej znajduje się największe w parku zbiornik wodny – Jezioro Stęszewskie (Stęszewsko-Kołatkowskie).

Równie atrakcyjnymi krajobrazowo rynnami są doliny dwóch największych cieków wodnych w parku: Trojanki oraz Dzwonówki. Pierwszy z nich ma swój początek w Hucie Pustej, dalej prowadzi przez Zielonkę i Głębocko, natomiast już poza granicami parku wody Trojanki łączą się z Wartą. Rynna rzeki Dzwonówki, zbierająca wody z północnego terenu parku, ciągnie się od okolic Dąbrówki Kościelnej, przez Dzwonowo do Skoków, gdzie wpływa do Małej Wełny.