วนอุทยานภูสอยดาว ประกาศจัดตั้งเป็นวนอุทยานเมื่อปี พ.ศ. 2534 ครอบคลุมพื้นที่ในเขตอ.ชาติตระการ จังหวัดพิษณุโลก และอ.น้ำปาด จังหวัดอุตรดิตถ์ มีเนื้อที่ประมาณ 48,962.5 ไร่ ลักษณะภูมิประเทศเป็นภูเขาสูงตามแนวชายแดนไทย-ลาว บริเวณที่สูงที่สุดคือ ยอดภูสอยดาว สูงถึง 2,102 เมตร จากระดับน้ำทะเล ดังนั้นบริเวณนี้จึงถูกปกคลุมด้วยหมอกตลอดทั้งปี สภาพพื้นที่ยังมีป่าไม้สมบูรณ์ ส่วนใหญ่จะเป็นป่าเต็งรัง ป่าสนเขา ป่าดงดิบชื้น และป่าเบญจพรรณ ในส่วนหนึ่งก็เป็นป่าเต็งรัง ป่าสนเขา ป่าดงดิบชื้นและป่าเบญจพรรณ ในส่วนหนึ่งก็เป็นป่าทุ่งหญ้าท่ามกลางป่าสนเขา ซึ่งอยู่ในระดับความสูงประมาณ 1,800 ม. จากระดับน้ำทะเล