Первое обстоятельное описание рельефа территории Каменной степи принадлежит Н. М. Сибирцеву и К. Д. Глинке (1894).
Каменная степь расположена на северных склонах Калачской возвышенности, на водоразделе балок Таловой и Озерки, впадающих в речку Чиглу, левый приток Битюга и Дона.
Поверхность этой территории поднимается до 195--197 м абсолютной отметки, что дает 118--120 м превышения над уровнем Дона на западе и Хопра на востоке. Над уровнем ближайшей реки Чиглы поверхность возвышается до 90 м. Если учесть, что большая часть территории лежит на отметках 180--185 м, то это превышение будет значительно меньше.
Общий уклон поверхности описываемой территории имеет западно-северо-западное направление. Однако хорошо развитая овражно-балочная система усложняет ориентировку ее, обеспечивая для значительной площади северо-восточную и юго-западную экспозиции.
Почти вся территория стационара принадлежит бассейну балки Озерки, впадающей справа в реку Чиглу, с общим направлением стока к северо-западу и западу. Бассейну балки Таловой, проходящей восточнее, принадлежит около 10% всей площади с уклоном поверхности ее в восточном -- юго-восточном направлении.
При абсолютной отметке тальвега в балке Таловой у поселка Львов около 135 м максимальная разность отметок, или энергия рельефа, на этом участке достигает 60 м, что дает средний уклон около 0,024. В балке Озерки эта разность равна всего 30 м. При той же длине тальвега ее от вершины до пруда №11 у границы стационара средний уклон будет равен всего 0,012. Еще меньший средний уклон (0,007) наблюдается в пределах всего бассейна балки Озерки.
Вся эрозионная сеть на описываемой территории представлена неглубокими плоскими, ложбинами бассейна балок Таловая и Озерки пологими и одернованными склонами, в отдельных местах поросшими лесом. Еще более выровненной местность кажется в связи с наличием здесь большого количества прудов, особенно в балке Озерки.
Наиболее четко в рельефе выражена балка Таловая. Если в верхней части эта балка имеет сравнительно пологие склоны, то в средней и нижней частях она представляет собой эрозионную долину с ассиметричными склонами и достаточно четко выраженными террасами: поймой, первой и второй надпойменными террасами. Пойма имеет высоту 1,5-2 м. Первая надпойменная терраса поднимается до 3-5 м, вторая - до 12-15 м, а в местах надстройки ее делювиальными наносами она поднимается до более высоких отметок.
На территорию лесного оазиса выходит всего несколько балок, впадающих слева в балку Таловую, в том числе балки Хорольская и Южно-Хорольская. Эти балки более плоские по сравнению с основным руслом, имеют пологие и одернованные склоны, иногда поросшие лесом. Эрозионные процессы в них слабо развиты.
Более сложную эрозионную систему представляет бассейн балки Озерки, верхняя часть которого целиком лежит в пределах описываемой территории. Балка Озерки начинается небольшими, мало выделяющимися в рельефе отвершками, берущими начало на водораздельном плато. Эти отвершки, соединяясь у Рогатого пруда, дают начало собственно балке Озерки, которая, делая несколько крупных излучин, идет на запад до впадения в реку Чиглу близ села Орловки. На всем своем протяжении балка принимает ряд притоков, в том числе наиболее крупные из них: балку Осиновую слева и балку Красную справа. На всем своем протяжении балка Озерки и ее притоки имеют неширокое плоское дно, местами прорезанное современным руслом, пологие одернованные склоны, иногда с четко выражений бровкой.
