该保护区主要保护对象是世界珍禽褐马鸡及华北落叶松、云杉天然次生林植被。据相关资料显示，该保护区有高等植物88科828种，其中，蕨类植物7科128种，裸子植物2科7种，被子植物78科809种，还有地衣、苔藓等部分低等植物。区内动物种类和数量也很丰富，有鸟类38科189种，兽类15科32种。两栖爬行类8科17种，昆虫1000多种。
该保护区是华北落叶松的原生地，也是以华北落叶松、油松为主的针阔叶混交林带。除落叶外，还有白榆、白桦、白杨等树种，林木整齐，单位蓄积量高，是山西境内经济价值最大的林区。野生植物资源也很丰富，其中有大量的党参、黄芪、甘草、菖蒲、连翘、桔梗、柴胡等药用植物。
保护区内植物资源丰富，森林保存完好，有林地面积为7709公顷，占总面积的73．8%，灌木林地面积1166公顷，占总面积的11．2%。森林依建群种大致可分为5种类型。华北落叶松天然次生林纯林分布于核心区、八水沟、神尾庙等地带，伴生着云杉、白桦、山杨、油松、辽东栎、红桦等树种；云杉林多分布于八水沟、西塔沟、大背等地；油松林主要分布于阳圪台实验区；杨-桦阔叶林是构成阳坡、山脊线附近和半阴半阳山坡森林植被的主要成份；辽东栎林主要分布于向阳山坡。
该保护区主要景观有：“云顶日出”、“龙泉飞瀑”、“笔架生辉”、“文源晚翠”、“古树宝塔”、“天门瑞气”、“雄狮夕照”、“凤凰观塔”、“石猪受难”、“风动石”、“仙人洞”等自然景观。其中“天门瑞气”是指夏季雨后，云团飘浮在林海上与夕阳共同组成一种独特景观；在交城与方山的分水岭上屹立着一黄琉璃瓦六角攒尖亭，庄重典雅，檐下即悬有“文源晚翠”横匾。位于海拔2670米的云顶山山脚下不远处有三株高大的松树一字排开，形似宝塔，树梢的松球随风摇动时恰似塔上悬挂的风铃，俗称“古树宝塔”，与“龙泉飞瀑”相映成趣。
另在该保护区的北沿有一座山峰名曰“孝文山”，由于山面南向阳，所以也叫“南阳山”，此山是关帝山的最高峰，海拔2831米，是关帝山主峰，也是保护区内最高山峰，以华北落叶松著称。据1661年-1722年间（康熙年间）的《永宁州志》记载：“孝文帝（元宏）丁母忧，避于此山……因此名山。”在山中有北魏孝文帝留此的古碑，古碑保存完好，清晰可辨，具有极高的史料价值，此碑构成了庞泉沟景区独有的一景“孝文古碑”。
庞泉沟国家级自然保护区是世界珍禽褐马鸡的主要产区。褐马鸡为国家一级重点保护动物，是中国的特产鸟类，被列为国际自然与自然保护联盟《iucn》红皮书中濒危物种，在历史上广泛分布于中国华北地区。褐马鸡种群数量在建区初期的1982年调查为558只，现监测的数量为2000只左右。主要进行科学实验、考察、教学实习和培育珍稀动物等工作，并划出一定范围开展森林旅游。庞泉沟保护区在保护珍禽褐马鸡中具有极其重要的意义。
保护区内有褐马鸡、金雕、黑鹤、金钱豹、原麝5种国家一级重点保护动物，它们都在保护区内居留繁殖，是非常有保护价值的区域。还有鸳鸯，鸢、红角鸮等23种猛禽及青鼬25种国家二级重点保护动物，以及苍鹭、金眶鸻、小杜鹃、普通夜鹰等14种山西省省级重点保护动物。
