保护区主要保护对象是原生性亚热带常绿阔叶林森林生态系统；国家保护的野生动植物物种；三江源头水源涵养林。 由于保护区地理位置特殊，生物多样性保护价值高，是世界上最具典型特征的原生性亚热带山地常绿落叶阔叶混交林植被保存最为完好的地区之一，被列入中国14个具有国际意义的陆地生物多样性关键地区和16个生物多样性热点地区之一。已知高等植物2484种；脊椎动物345种，其中兽类71种，鸟类145种，爬行类39种，其中国家一级保护种类5种，二级保护种类32种；已知昆虫3300种。有“中国南岭山脉绿色宝库”之称。
猫儿山林区面积近40万亩，地跨兴安县华江瑶族乡、金石乡、资源县两水、车田、中峰等乡和龙胜各族自治县江底乡，其中划为国家自然保护区的有107450亩。
猫儿山林区山峦挺拔，河谷幽深，坡度一般在30～35度，有高达100米的悬岩峭壁，有数十米高的清泉瀑布。在海拔1950～2000米的八角田地带，形成面积约3560亩的山间盆地，其内丘陵起伏，沟壑纵横。在海拔1600米的地段，有36个小山包，云深雾重，林茂竹密，面积约800亩。
猫儿山林区气候复杂，局部地区变化很大，山顶和山脚、山谷的温差可达10℃～14℃，山顶年均温约7℃，极端最高温23℃，极端最低温负19℃，气压约800毫巴，相对湿度常在90%以上，年降水量在2100毫米以上，2～6月为雨季，雨天达80%左右。一年有四分之三的时间云雾弥漫，特别是在海拔1000～2000米(公路8～28公里处)地带常形成一个云雾层，仅7～9月间才有约50%的晴朗天气。11月即进入寒冬季节，下雪结冰要持续4个月之久。常年风力较大，且随海拔的升高而增大，除盛夏南风较多外，其余季节以偏北风为主。这种特别的气候条件，形成了猫儿山林区动物、植物、土壤的不同特色。 猫儿山林区的土壤，在海拔2000米以上的属山地矮林土。2000～1800米是表潜黄棕壤，其中八角田盆地有深厚的泥炭土(沼泽土)。1800～1200米是山地黄棕壤。1200～700米是山地黄壤，并间有生草黄壤的分布。700米以下是黄红壤和山地红壤。成土母岩在海拔1800米以上多为硬质花岗岩，在约1800米左右的地段，出现页岩和板岩。海拔1800米以下多为软质花岗岩，在约900米的地段间有砂岩和高岭土。整个林区土壤疏松、湿润，有机质含量高，矿质营养丰富，为植物的生长繁衍具备了优越条件。 猫儿山是重要的水源林区，特别是八角田盆地中有1120亩泥炭土，蓄水保水性能很强，储水量按容积计，一般在80%以上，最枯期储水量也有90万立方米，群众称之为“绿色天然水库”。林区内溪流不断，迂回汇合，当地群众命名为“江”“河”的就有39条，其中流入大溶江到漓江的有19条，是漓江的发源地。 猫儿山林区植被繁茂，区系复杂，计有152科、374属、747种和50个变种。其中木本植物87科534种，主要是亚热带常绿落叶阔叶林，局部地区有常绿针叶树种。 猫儿山林区也是珍贵动物和经济动物的良好繁育场所。据广西珍贵动物资源调查队1978年9月调查统计，有动物112种，隶属4纲22目46科，其中属国家一类保护动物有黄腹角雉。属国家二类保护动物的有毛冠鹿、红腹角雉、短尾猴、恒河猴、狗熊、麝、大鲵、水鹿、鬣羚、大灵猫、小灵猫、金猫、白鹇、金鸡、穿山甲等15种。 猫儿山林区形成的亚热带高海拔山地独特的动植物群落，既是得天独厚的天然水源林，也是宝贵的科学研究场所和野生资源利用基地。猫儿山山高坡陡，林广树密，在晴天登上顶峰可以看到桂林市。山顶建有电视转播台。猫儿山自然保护区，已成为大桂林旅游区的重要组成部分。
保护区属中亚热带湿润山地季风气候区，最高峰猫儿山，海拔2141.5m，是华南第一高峰。自然植被类型主要是针叶林、针阔混交林、常绿阔叶林、灌丛、草丛等，人工植被主要是柳杉林、等用材林。保护区主要分布有山地黄红壤、山地黄壤、山地黄棕壤及山地草甸土。
保护区资源丰富，有陆生脊椎野生动物311种。现分布有国家重点保护野生动物36种，其中国家一级重点保护野生动物有白颈长尾雉、黄腹角雉、金钱豹、云豹等4种；国家二级重点保护野生动物有虎纹蛙、大灵猫、小灵猫、黑熊、猕猴、穿山甲等32种。昆虫有566种。共有野生维管束植物1720种，其中蕨类植物132种，裸子植物14种，被子植物1574种。其中，国家一级重点保护野生植物有钟萼木、南方红豆杉、银杏、红豆杉、香果树等5种；国家二级重点保护野生植物有马尾树、楠木、广东五针松、香樟、喜树等19种。大型真菌有264种。
