อุทยานแห่งชาติภูเก้า-ภูพานคำ เป็นพื้นที่ในบริเวณที่ราบสูงภาคตะวันออกเฉียง เหนือตอนบน ตั้งอยู่ในพื้นที่จังหวัดหนองบัวลำภู พื้นที่ตอนล่างของจังหวัดอุดรธานี และตอนบนของจังหวัดขอนแก่น สภาพธรณีเป็นภูเขาหินทรายซึ่งมีชั้นของของหินทรายอยู่ด้านบนระดับผิวดิน โดยมีชั้นของหินดินดาน หรือหินดินดานปนทรายเป็นฐาน ด้านล่างมีดินประเภทดินลูกรังและดินร่วนปนทรายกระจัดกระจายอยู่ทั่วไป ประกอบไปด้วยพันธุ์ไม้ สัตว์ป่า ทิวทัศน์ที่สวยงามตามธรรมชาติ และสภาพป่าโดยทั่วไปเป็นป่าเต็งรัง มีเนื้อที่ประมาณ 201,250 ไร่ หรือ 322 ตารางกิโลเมตร

แต่เดิมกรมป่าไม้ได้พิจารณากำหนดให้ป่าภูเก้าเป็นป่าโครงการไม้กระยาเลยเพื่อใช้สอย ตามหนังสือกรมป่าไม้ ที่ กษ 0703/38 ลงวันที่ 5 มกราคม 2513 ซึ่งต่อมาป่าภูเก้าแห่งนี้กระทรวงเกษตรและสหกรณ์ได้ประกาศให้เป็นป่าสงวนแห่งชาติ “ป่าภูเก้า” ตามกฎกระทรวง ฉบับที่ 490 (พ.ศ. 2515) ลงวันที่ 20 ตุลาคม 2515 และเมื่อวันที่ 14 กุมภาพันธ์ 2524 นายสุพรรณ สุปัญญา สมาชิกสภาผู้แทนราษฎรจังหวัดอุดรธานี ได้มีหนังสือกราบเรียน ฯพณฯ นายกรัฐมนตรี ให้พิจารณาจัดป่าสงวนแห่งชาติภูเก้า ท้องที่จังหวัดอุดรธานี เป็นอุทยานแห่งชาติ

สำนักเลขาธิการนายกรัฐมนตรี จึงมีหนังสือ ที่ สร 0107(งสส.)/3782 ลงวันที่ 24 กุมภาพันธ์ 2524 ให้กระทรวงเกษตรและสหกรณ์ พิจารณาเรื่องนี้ ซึ่งนายจำนงค์ โพธิสาโร รองอธิบดีกรมป่าไม้ ปฏิบัติราชการแทนอธิบดีกรมป่าไม้ มีบันทึกท้ายหนังสือกองอุทยานแห่งชาติ ที่ กส 0708/1198 ลงวันที่ 8 เมษายน 2524 ให้ส่งเจ้าหน้าที่ไปสำรวจ กองอุทยานแห่งชาติ กรมป่าไม้ จึงได้มีคำสั่งที่ 571/2524 ให้นายวินัย ชลารักษ์ เจ้าพนักงานป่าไม้ 4 ไปทำการสำรวจหาข้อมูลเบื้องต้น

ผลการสำรวจพบว่าป่าสงวนแห่งชาติภูเก้า ประกอบด้วยพันธุ์ไม้ สัตว์ป่า จุดเด่นมีทิวทัศน์ที่สวยงามตามธรรมชาติหลายแห่ง เหมาะสมที่จะจัดตั้งเป็นอุทยานแห่งชาติ ตามหนังสือรายงานการสำรวจเบื้องต้นที่ กส.0708 (ภพ)/257 วันที่ 29 กรกฎาคม 2524 และทางสภาตำบลโนนสัง จังหวัดอุดรธานี ได้มีหนังสือลงวันที่ 7 กุมภาพันธ์ 2526 สนับสนุนให้ดำเนินการจัดตั้งพื้นที่ดังกล่าวเป็นอุทยานแห่งชาติ กองอุทยานแห่งชาติ กรมป่าไม้ ได้นำเสนอกรรมการอุทยานแห่งชาติ ซึ่งได้มีมติในคราวประชุมครั้งที่ 2/2526 เมื่อวันที่ 24 พฤษภาคม 2526 ให้กำหนดพื้นที่ดังกล่าวเป็นอุทยานแห่งชาติได้

ต่อมานายพิชา พิทยขจรวุฒิ หัวหน้าอุทยานแห่งชาติภูเก้า ได้มีหนังสือที่ กษ. 0713(ภก)/8 ลงวันที่ 8 กุมภาพันธ์ 2527 ขอผนวกพื้นที่เทือกเขาภูพานคำ บริเวณด้านตะวันออกเฉียงเหนือของเขื่อนอุบลรัตน์ ซึ่งมีสภาพป่าเต็งรังค่อนข้างสมบูรณ์ และมีทิวทัศน์รอบอ่างเก็บน้ำสวยงามเข้าเป็นอุทยานแห่งชาติด้วย เพื่อให้เกิดประโยชน์สมบูรณ์ในการอนุรักษ์ทรัพยากรธรรมชาติ ซึ่งได้มีการดำเนินการประกาศพื้นที่ดังกล่าวเป็นอุทยานแห่งชาติ โดยมีพระราชกฤษฎีกากำหนดบริเวณที่ดินป่าภูเก้า ในท้องที่ตำบลหัวนา ตำบลนามะเฟือง อำเภอหนองบัวลำภู (ปัจจุบันเป็นจังหวัดหนองบัวลำภู) ตำบลบ้านถิ่น ตำบลโคกม่วง ตำบลนิคมพัฒนา ตำบลโนนเมือง ตำบลหนองเรือ อำเภอโนนสัง จังหวัดอุดรธานี (ปัจจุบันเป็นจังหวัดหนองบัวลำภู) และที่ดินป่าภูพานในท้องที่ตำบลกุดดู่ ตำบลโนนสัง ตำบลบ้านค้อ ตำบลหนองเรือ ตำบลโคกใหญ่ อำเภอโนนสัง จังหวัดอุดรธานี (ปัจจุบันเป็นจังหวัดหนองบัวลำภู) และป่าโคกสูง ป่าบ้านดง ในท้องที่ตำบลศรีสุขสำราญ ตำบลนาคำ ตำบลบ้านดง ตำบลเขื่อนอุบลรัตน์ และตำบลหว้าทอง ตำบลทุ่งชมพู ตำบลนาหว้า อำเภอภูเวียง จังหวัดขอนแก่น เป็นอุทยานแห่งชาติ พ.ศ. 2528 ซึ่งประกาศไว้ในราชกิจจานุเบกษา เล่ม 102 ตอนที่ 130 ลงวันที่ 20 กันยายน 2528 นับเป็นอุทยานแห่งชาติลำดับที่ 50 ของประเทศ

ภูเก้า มีสันฐานคล้ายกะทะหงายโดยมีที่ราบอยู่ตอนกลาง พื้นที่เช่นนี้ทำให้สันนิษฐานได้ว่า พื้นที่ส่วนนี้น่าจะเป็นซากภูเขาไฟโบราณที่ดับสนิทไปแล้วหลายร้อยล้านปี หรือมิฉะนั้นก็เป็นการโก่งตัวของเปลือกโลกในบริเวณนี้ขึ้นมาเป็นขอบเทือกเขา เทือกเขาภูเก้าเป็นเทือกเขาสองชั้น ชั้นนอกเป็นภูเขาสูงและมีความลาดชันมาก ไหล่เขาด้านในมีความลาดชันไม่มากนัก พื้นที่ส่วนใหญ่มีลักษณะสูงๆ ต่ำๆ บางแห่งเป็นที่ราบ

ภูพานคำ เป็นแนวทิวเขายาวในเทือกเขาภูพาน เรียงตัวตามแนวทิศตะวันออกเฉียงเหนือ - ตะวันตกเฉียงใต้ บริเวณทิศตะวันตกเฉียงใต้ของเทือกเขาเป็นแอ่งที่ราบต่ำลุ่มน้ำพอง ซึ่งเป็นหุบเขาขนาดใหญ่ เมื่อมีการสร้างเขื่อนอุบลรัตน์ พื้นที่ดังกล่าวนี้กลายเป็นทะเลสา[ ซึ่งเป็นพื้นที่อุทยานแห่งชาติ มีเนื้อที่ประมาณครึ่งหนึ่งของส่วนภูพานคำ สภาพป่าเป็นป่าเต็งรังและป่าเบญจพรรณ ซึ่งขึ้นอยู่ในพื้นดินปนหิน

ฤดูกาลของอุทยานแห่งชาติภูเก้า-ภูพานคำ แบ่งออกเป็น 3 ฤดู ได้แก่ ฤดูร้อน ระหว่างเดือนมีนาคม-เดือนพฤษภาคม อุณหภูมิเฉลี่ยจะร้อนจัดในเดือนเมษายน ฤดูฝน ระหว่างเดือนมิถุนายน-เดือนตุลาคม ปริมาณน้ำฝนจะตกมากที่สุดในเดือนกันยายน ฤดูหนาว ระหว่างเดือนพฤศจิกายน-เดือนกุมภาพันธ์ อุณหภูมิเฉลี่ยต่ำสุดในเดือนมกราคม ซึ่งได้รับอิทธิพลจากร่องความกดอากาศสูงทางตอนใต้ของประเทศจีน

สภาพโดยทั่วไปเป็น ป่าเต็งรัง มีไม้ขึ้นอยู่กระจัดกระจายอยู่ทั่วไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งในบริเวณที่เป็นไหล่เขา และสันเขา พันธุ์ที่สำคัญได้แก่ เต็ง รัง เหียง พลวง พะยอม กระโดน ฯลฯ พืชพื้นล่างประกอบด้วย ปรงป่า หญ้าเพ็ก เป้ง เถาวัลย์ และไม้หนามหลายชนิด ส่วน ป่าเบญจพรรณ เป็นป่าที่มีอยู่ในบริเวณที่ลุ่มริมฝั่งห้วย หุบเขา และไหล่เขาบางส่วน พันธุ์ไม้ที่สำคัญได้แก่ แดง ประดู่ มะค่าแต้ กระบก ตะคร้อ ตีนนก ฯลฯ พืชพื้นล่างเป็นไผ่ชนิดต่างๆ ป่าดงดิบ มีอยู่เฉพาะบริเวณริมฝั่งห้วยเท่านั้น พันธุ์ไม้ที่สำคัญได้แก่ ตะแบก ยาง ตะเคียนหิน มะค่าโมง กระบก และชิงชัน เป็นต้น

ใช้รถยนต์โดยสารประจำทางสายขอนแก่น-หนองบัวลำภู ใช้เวลาประมาณ 1 ชั่วโมง ถึงที่ทำการอุทยานแห่งชาติภูเก้า-ภูพานคำ