Вулканический комплекс представляет собой весьма массивную структуру, состоящую из двух доминирующих конусов: Плоского Толбачика, высота которого достигает 3140 метров, и Острого Толбачика, возвышающегося на 3682 метра. Плоский относится к категории действующих щитовых вулканов, характерными чертами которого являются пологие склоны, плавно переходящие в обширные пространства, покрытые застывшей лавой. Острый является стратовулканом, отличающимся выраженными крутыми склонами. На текущий момент он находится в неактивном, спящем состоянии.
Геология Толбачика уникальна даже для Камчатки. Он сложен преимущественно базальтовыми лавами, что отличает его от большинства стратовулканов региона, извергающих андезиты и дациты. Толбачик знаменит обширной системой трещин и паразитических конусов, образовавшихся в результате боковых извержений. Огромные лавовые поля, образованные в результате извержений, чередуются с пепловыми пустынями, шлаковыми конусами, кратерами. Территория вокруг напоминает инопланетные пейзажи: черные и красные лавовые потоки, остывшие лавовые трубы, фумарольные поля и горячие источники создают неповторимый облик местности. Вулкан также знаменит своим влиянием на экосистему региона. После крупных извержений здесь наблюдается быстрое восстановление растительности, что позволяет исследовать процессы сукцессии — восстановления жизни на вулканических почвах.