Talvivaaran esiintymät sijaitsevat Kainuun vyöhykkeen eteläosassa, joka tunnetaan myös nimellä Kainuun liuskevyöhyke. Vyöhyke on noin kaksisataa kilometriä pitkä ja leveimmillään se on noin neljäkymmentä kilometriä.
Talvivaarassa on kaksi erillistä monimetallista malmiesiintymää, Kuusilampi ja Kolmisoppi. Näiden esiintymien mineraalivarat on luokiteltu JORC-koodin mukaisesti ja niiden todettujen ja todennäköisten mineraalivarantojen yhteenlasketun määrän on arvioitu olevan 1 121 miljoonaa tonnia sisältäen 0,22 % on nikkeliä, 0,13 % kuparia, 0,02 % kobolttia ja 0,49 % sinkkiä.
Kuusilammen ja Kolmisopen esiintymissä voidaan erottaa kolme mineralogista malmityyppiä: hienorakeinen malmi (pirotemalmi), sulfidi-breksia ja metakarbonaattipitoinen malmi.
Malmiesiintymien sulfidimineraalipitoisuus on keskimäärin 21%.
Tärkeimmät sulfidimineraalit ovat magneettikiisu, rikkikiisu, kuparikiisu, sinkkivälke ja pentlandiitti.

| Esiintymien mitat | |||
| Pituus (m) | Leveys (m) | Tunnettu syvyys (m) | |
| Kuusilampi | 2600 | 40-1000 | 600 |
| Kolmisoppi | 1500 | 30-350 | 300 |