保護區位于都江堰市北部，地理坐標為東經103°32′—103°43′，北緯31°04′—31°22′；西北與阿壩藏族自治州汶川縣相接，東與彭州市為鄰，南與都江堰市龍池鎮和虹口鄉接壤。 龍溪—虹口國家級自然保護區是全國35個大熊貓保護區之一。位于大熊貓現代自然分布區狹長條狀弧形帶的中段，是岷山山系大熊貓B種群重要的棲息地。直接聯系著岷山山系和邛崍山系兩個世界最大的大熊貓野生種群，是大熊貓生存和繁衍的關鍵區域和“天然走廊”。

保護區屬華夏地質構造體系，龍門山褶皺帶中南部，在大地構造上屬揚子準地臺和青藏地槽區，地質構造復雜，區內從元古界到第四紀地層均有顯露。基巖均為元古代的“彭灌雜巖體”，由變質基性、酸性火山巖、火山碎屑巖和變質沉積巖的黃水河群及侵入其間的各類侵入巖組成。沿河谷出露的主要巖體為黑云花崗巖、閃山巖、花崗長巖，斜長花崗巖及片巖、片麻巖和少許氣成碳酸鹽巖等，此外沿河床有大量分布的粉紅色鉀長花崗巖。保護區北端的光光山在距今十億年前就已出露海面（晉寧澄江運動）；中高山則是受到第三紀中新世和第四紀更新世兩次劇烈的喜馬拉雅造山運動的強烈影響迅速抬升而成。
　　東北、西南走向的龍門山褶皺斷裂帶，背斜兩翼極不對稱，逆掩斷層非常發育，多形成迭瓦式斷層群，東陡西緩。龍門山北段向背斜尚較完整，保護區所在的龍門山褶皺帶中南段則縱向及橫向斷裂極為發育，向背斜也多破壞，斷崖較為常見，并多有石炭系、二迭系灰巖斷落到侏羅系砂巖上，形成在地形上為孤山的所謂“飛來峰”構造。從保護區北端光光山海拔4582m的最高峰到南端海拔850m的龍洞子，相對高差達3700m，為典型的高山峽谷地貌。光光山主峰為整體出露的黑色花崗巖，主峰附近3500m以上還有許多角峰、刃脊、冰斗湖和“U”形谷等第四紀冰川遺址。這些孤峰、斷崖、冰斗是保護區內寶貴的地貌景觀資源。