ที่นี่เกิดจากการยกตัวของพื้นผิวโลก และดินส่วนที่อ่อนพัดพาลงสู่พื้นที่ส่วนต่ำ คาดคะเนว่าอาจเป็นทะเลมาก่อนเนื่องจากพบทรายจำนวนมากบนภู เขตรักษาพันธุ์สัตว์ป่าภูหลวงได้รับการจัดตั้งเป็นเขตรักษาพันธุ์สัตว์ป่าในราชกิจจานุเบกษา เมื่อวันที่ 18 ธันวาคม 2517 มีเนื้อที่ประมาณ 848 ตารางกิโลเมตร หรือประมาณ 530,000 ไร่ ตั้งอยู่ในท้องที่อำเภอวังสะพุง, อำเภอภูเรือ, อำเภอด่านซ้าย และอำเภอภูหลวง จังหวัดเลย และได้มีการกำหนดพื้นที่เขตรักษาพันธุ์สัตว์ป่าภูหลวงขึ้นใหม่ เมื่อวันที่ 16 สิงหาคม 2534 มีเนื้อที่ประมาณ 897 ตารางกิโลเมตร หรือ ประมาณ 560,593 ไร่