Расположен в северо-западной части Рыбинского водохранилища. Две трети территории находятся в Череповецком районе Вологодской области и одна треть - в Брейтовском районе Ярославской области. Центральная усадьба заповедника - поселок.Борок Череповецкого района.
Территория заповедника составляет 112,6 тыс. га. Большую часть ее занимает акватория водохранилища - 45,5 тыс. га. На территории заповедника сохраняются уникальные комплексы верховых болот, озер и лесов Молого-Шекснинского междуречья, большею частью затопленного водохранилищем.
Произрастает 37 очень редких видов высших растений. Два вида - венерин башмачок настоящий и надбородник безлистный внесены в Красную книгу РСФСР. В лесах заповедника обитает 40 видов млекопитающих.
Заповедник является наиболее крупным очагом сохранения уникальных популяций редких видов птиц, внесенных в Красную книгу РФ, - скопа и орлан-белохвост. Плотность населения их здесь высочайшая в Европе, а возможно, и в мире. Всего в заповеднике обитает 15 видов птиц, внесенных в Красную книгу РФ, в том числе: чернозобая гагара, филин, большой и малый подорлики, беркут, белая куропатка, серый сорокопут. С середины 80-х годов продолжает увеличиваться численность лебедей, загнездившихся здесь.
Дарвинский заповедник - это центр сохранения целого ряда видов охотничьих животных, таких как медведь, лось, кабан, бобр. Из птиц - глухарь. За счет сохранения этих видов в заповеднике и расселения их за его пределы поддерживается стабильная численность охотничьих животных на окружающих территориях.