มีเนื้อที่ 261,875 ไร่ ลักษณะภูมิประเทศเป็นส่วนหนึ่งของเทือกเขาภูพาน ภูเขาที่สูงที่สุดคือ ภูอ่างสอ สภาพป่าเป็นป่าเต็งรัง ป่าเบญจพรรณ ป่าดิบแล้ง ไผ่หลายชนิด และสมุนไพรชนิดต่าง ๆ สัตว์ป่าที่พบเห็นได้แก่ หมูป่า เก้ง กระจง นกชนิดต่าง ๆแหล่งท่องเที่ยวบนยอดภูผาเหล็กโดยเฉพาะบริเวณหน้าผาต่าง ๆ หอส่องดาว สามารถใช้รถยนต์ขึ้นไปตามถนน รพช. จากที่ทำการอุทยานฯ ถึงหอส่องดาวระยะทาง 5.5 กิโลเมตร และเดินเท้าสู่จุดท่องเที่ยว สถานที่น่าสนใจในเขตอุทยานฯ ได้แก่ ผาสุริยันต์ เป็นหน้าผาสูงอยู่บนยอดเขาสูงสุดของภูผาเหล็ก เป็นจุดชมวิวที่สวยงาม และเป็นจุดชมพระอาทิตย์ขึ้นในยามเช้า ผาดงก่อ เป็นหน้าผาสูงอยู่บนยอดภูผาเหล็กอันเป็นยอดสูงสุดของเทือกเขาภูพาน มีก้อนหินขนาดใหญ่วางพาดอยู่ริมหน้าผาที่ดูเหมือนจะหล่นลงไปข้างล่าง หากยืนบนภูเขาแห่งนี้จะมองเห็นทิวเขาอันสลับซับซ้อนของภูพาน และมองเห็นภูผาหัก ภูไม้ ภูซากลาก อยู่ในเขตอำเภอวังสามหมอ ของจังหวัดอุดรธานี ผาน้ำโจ้ก เป็นหน้าผาสูงที่อยู่ยอดภูผาเหล็ก สามารถมองเห็นอ่างเก็บน้ำห้วยหวด และมองเห็นวิวทิวทัศน์ของจังหวัดอุดรธานี จังหวัดขอนแก่นได้ ภาพเขียนก่อนประวัติศาสตร์ผาผักหวาน อยู่ที่บ้านภูตะคาม ตำบลท่าศิลา ห่างจากที่ทำการอุทยานฯ 18 กิโลเมตร เป็นภาพเขียนโบราณ มีอายุประมาณ 3,600 ปี อยู่บนก้อนหินใหญ่เป็นภาพลักษณะคล้ายผู้หญิงยืนเรียงกันเป็นแถวโดยใช้มือเกาะไหล่กัน ลานอุษาสวรรค์ เป็นบริเวณที่ราบบนยอดภูผาเหล็ก มีเนื้อที่ประมาณ 1,550 ไร่ มีสภาพเป็นทุ่งป่าละเมาะ เขา และโขดหิน สลับกับทุ่งหญ้า ดูคล้ายสวนประดิษฐ์ มีดอกไม้ป่าขึ้นมากมาย เช่น สารดอย เอนอ้า ดาวเรืองภู ม้าวิ่ง หญ้าข้าวก่ำ กระดุมเงิน ดุสิตา ฯลฯ สุสานไดโนเสาร์ ตั้งอยู่บริเวณกลางเขาภูผาเหล็ก อำเภอส่องดาว จังหวัดสกลนคร และบริเวณชายป่าภูพาน อำเภอคำม่วง จังหวัดกาฬสินธุ์ มีลักษณะเป็นกระดูกสัตว์ที่กลายเป็นหินมีอายุหลายล้านปีทับถมกันจำนวนมาก บางส่วนยังฝังอยู่ในหินและดิน บางแห่งเป็นฟอสซิลของพืช เช่น ไม้กลายเป็นหิน หอส่องดาว ตั้งอยู่บนยอดภูผาเหล็กมีความสูงจากระดับน้ำทะเลประมาณ 700 เมตร สามารถมองเห็นทัศนียภาพได้รอบด้าน หอส่องดาวจึงเป็นที่สำหรับศึกษาดวงดาวในเวลากลางคืน สามารถชมปรากฏการณ์ฝนดาวตกได้ชัดเจนมาก อุทยานฯ มีบริการบ้านพักและบริเวณกางเต็นท์สำหรับนักท่องเที่ยว