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

สถานที่ท่องเที่ยว ในเขตวนอุทยานภูสอยดาว

 ลานป่าสน

เป็นลานกว้างใหญ่ มีเนินสลับซับซ้อน ปกคลุมด้วยทุ่งหญ้าแบบสวันนา และมีป่าสนสามใบกระจัดกระจายทั่วไป และในบริเวณเดียวกันยังมีพันธ์ไม้ดอกหลายนิดขึ้นอยู่ทั่วไป โดยเฉพาะดอกหงอนนาค นอกจากนี้ยังมีกล้วยไม้ป่าอีกมากมาย โดยมักจะขึ้นตามคาคบไม้ใหญ่ ใช้เวลาเดินเท้าจากเชิงเขาขึ้นมาประมาณ 4-5 ชั่วโมง

น้ำตกสายทิพย์

เป็นน้ำตกที่เกิดจาก "ลำน้ำภาค" ซึ่งเป็นสายน้ำที่มีต้นกำเนิดมาจากป่าอันสมบูรณ์ของเทือกเขาภูสอยดาว น้ำตกแห่งนี้มีด้วยกัน 7 ชั้น อยู่ในหุบเขาทางด้านตะวันออกของป่าสน นอกจากนี้ตามหน้าผาและโขดหินตามลำธารจะถูกปกคลุมไปด้วยผืนมอสขนาดใหญ่

ทุ่งดอกหงอนนาค

อยู่ทางลานป่าสนด้านตะวันตก ซึ่งเป็นรอยต่อระหว่างไทย-ลาว เป็นบริเวณที่มีดอกหงอนนาคขึ้นอยู่หนาแน่นที่สุด

การเดินทาง 

โดยรถโดยสารประจำทาง 

ควรใช้รถโดยสารสายกรุงเทพฯ-พิษณุโลก แล้วต่อรถโดยสารประจำทางไปอ.ชาติตระการ จากนั้นเดินทางต่อไปยังวนอุทยานภูสอยดาว ซึ่งอยู่ห่างจากอำเภอไปอีกประมาณ 65 กม. จะมีรถสองแถวประจำทางเพียงเที่ยวเดียว เวลาประมาณ 12.00 น. เท่านั้น หรือถ้าต้องการความสะดวกก็สามารถเหมารถสองแถว หรือจ้างรถกระบะของชาวบ้านแถวนั้นไปส่งได้

โดยรถยนต์ส่วนตัว มี 2 ทาง

1. จากกรุงเทพฯ สู่จังหวัดอุตรดิตถ์ และเดินทางต่อจากอุตรดิตถ์โดยใช้ทางหลวงหมายเลข 1047 ระยะทาง 68 กม. ถึงอำเภอน้ำปาดแล้วเลี้ยวขวาบริเวณโรงพยาบาลน้ำปาด ตามทางหลวงหมายเลข 1239 ไปอีก 47 กม. จะพบทางสามแยกเลี้ยวซ้ายจะไปบ้านห้วยมุ่น ให้ตรงไปตามทางหลวงหมายเลข 1268 อีก เพียง 18 กม. ก็จะถึงอุทยานแห่งชาติภูสอยดาว (บริเวณน้ำตกภูสอยดาว)

2. จากกรุงเทพฯ สู่จังหวัดพิษณุโลกและเดินทางต่อไปยังอำเภอนครไทย และจากอำเภอนครไทย เลี้ยวซ้ายตามทางหลวงหมายเลข 1143 ระยะทาง 31 กม. ถึงอำเภอชาติตระการและเดินทางต่อจากอำเภอชาติตระการไปอีก 73 กม. จะถึงที่ทำการอุทยานฯ ภูสอยดาว (ซึ่งที่ตั้งที่ทำการอยู่ริมทางหลวงหมายเลข 1268)

ขณะนี้ทางวนอุทยานฯ ยังไม่เปิดบริการที่พัก หากสนใจจะมาท่องเที่ยวภูสอบดาว ควรติดต่อเพื่อขออนุญาตมาที่วนอุทยานภูสอบดาว ล่วงหน้า 10 วัน โดยติดต่อมาที่ วนอุทยานภูสอยดาว ต.ห้วยมุ่น อ.น้ำปาด จ.อุตรดิตถ์ 53110