Озёра возникли из-за естественных запруд. Землетрясения, обычные для Тянь-Шаня, обрушивали склоны и блокировали русло реки Кольсай — так и появились водоёмы. Большинство ярких озёр в этом районе сформированы тем же способом; Нижний Кольсай и соседнее Каинды связаны с событиями 1887–1911 годов.
Северный Тянь-Шань — относительно молодые горы: их современный подъём начался в кайнозое (~25 миллионов лет назад), хотя коренные породы куда древнее — палеозой. Кольсай находится на юго-восточной кромке Заилийского Алатау, всего в 10 километрах от границы с Кыргызстаном.
Кеминское землетрясение 3 января 1911 года, магнитудой около 8,0, унесло 452 жизни в Верном (нынешнем Алматы) и разрушило более 770 зданий. Поверхностные разрывы протянулись на 200 километров. Та же сейсмическая активность вызвала оползень, образовавший озеро Каинды, и сформировала современный облик Кольсайского каскада.
Биоразнообразие парка впечатляет: 50 видов млекопитающих, 197 видов птиц, 704 вида растений (12 редких). Знаковые виды: снежный барс (Panthera uncia), тяньшанский бурый медведь, туркестанская рысь, козерог, архар, сурок. Лес здесь — преимущественно ель Шренка (Picea schrenkiana); по краям растут абрикос, барбарис, эдельвейс и боярышник.