Według podziału fizycznogeograficznego Jerzego Kondrackiego obszar parku położony jest w mezoregionie Wyżyna Katowicka (341.13), stanowiącym południową część makroregionu Wyżyna Śląska, a geologicznie park znajduje się w niecce górnośląskiej, która wypełniona jest utworami pochodzącymi z górnego karbonu w postaci łupków, piaskowców i zlepieńców zawierających pokłady węgla kamiennego.
Pod względem jednostek morfologicznych park T. Kościuszki znajduje się w na Wzgórzach Kochłowickich. Jest to równoleżnikowy wał podzielony dolinami na cztery izolowane wzgórza, z których jedno z nich znajduje się na terenie parku – jest nim Wzgórze Beaty, będący jednocześnie najwyższym punktem parku T. Kościuszki. Jego wysokość sięga ponad 323,0 m n.p.m., a na jego szczycie stoi kościół pw. św. Michała Archanioła.
Średnia roczna temperatura powietrza w wieloleciu 1961–2005 według danych ze stacji meteorologicznej na terenie Muchowca wynosi 8,1 °C, a średnia roczna suma opadów w latach 1951–2005 wynosi 713,8 mm. Obszar parku położony jest w dorzeczu Wisły i Odry, a rozdzielający te dorzecza dział wodny przecina m.in. Wzgórze Beaty.