Der Gebirgszug verläuft östlich des Ural-Hauptkamms. Die beiden Städte Miass und Tschebarkul liegen westlich bzw. östlich am Fuße des Ilmengebirges. Der Höhenzug erstreckt sich etwa 30km in Nord-Süd-Richtung. Der Fluss Miass fließt entlang seiner Westflanke in nördlicher Richtung, bevor er sich am Nordende des Höhenzugs nach Osten wendet und zum Argasi-Stausee aufgestaut wird. Im Berg Ilmen (Ильментау) erreicht der Höhenzug eine maximale Höhe von 748m.[1] Das Ilmen-Naturreservat erstreckt sich über das Ilmengebirge. Im Gestein des Ilmengebirge finden sich etwa 180 verschiedene Minerale, darunter Ilmenit, Apatit, Granat und Topas.[1] Der Gebirgszug ist hauptsächlich mit Kiefern und Birken bewachsen.[1]
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