Көлдер табиғи бөгеттер нәтижесінде пайда болған. Тянь-Шаньда жиі болатын жер сілкіністер тау беткейлерінен опырылыстарды түсіріп, олар Көлсай өзенінің арнасын тосты. Аймақтағы көлдердің көпшілігі осындай жолмен жасалған; Төменгі Көлсай мен Қайыңды көлдері 1887–1911 жылдар аралығындағы оқиғалармен байланысты.
Тянь-Шань тауларының қазіргі көтерілуі — кайнозой дәуірінің құбылысы (шамамен 25 миллион жыл бұрын басталған), ал негізгі жыныстар одан да көне — палеозой дәуіріне жатады. Көлсай аймағы Іле Алатауының оңтүстік-шығыс шетінде орналасқан, Қырғызстан шекарасынан небәрі 10 шақырымда.
1911 жылғы 3 қаңтарда болған Кемин жер сілкінісі (магнитудасы шамамен 8,0) сол кездегі Верный (қазіргі Алматы) қаласында 452 адамды қаза тапқызып, 770-тен астам үй қиратты. Жер бетінде 200 шақырым ұзындықтағы жарықтар пайда болды. Дәл сол сейсмикалық оқиға Қайыңды көлін жасаған опырылысты түсіріп, Көлсай аумағындағы көлдер жүйесінің қазіргі сипатын қалыптастырды.
Парк фаунасы өте бай: 50 сүтқоректі түрі, 197 құс түрі, 704 өсімдік түрі (12-сі сирек кездеседі). Маңызды түрлер: қар барысы (Panthera uncia), Тянь-Шань қоңыр аюы, түркістан сілеусіні, тау ешкісі, арқар, суыр. Орманның негізгі ағашы — Шренк шыршасы (Picea schrenkiana), оған өрік, аю-бадам, бөріқарақат, эдельвейс қосылады.