生活在保护区内的动物大多是青藏高原独有的濒危野生动物，藏野驴、藏羚羊、野牦牛被称为羌塘的“三大家族”。保护区还有诸多国家二级保护动物以及高原特有鱼类，可谓是“天然野生动物园”。
保护区的植被类型比较简单，以高原高寒荒漠草原为主。由于海拔的高度和恶劣的气候条件，这里的植被和植物极其脆弱，一旦受到迫害就无法恢复或需要很长时间才能恢复。
保护区四周为海拔5000-7000米的昆仑山脉、喀喇昆仑山脉、冈底斯-念青唐古拉山脉环绕，保存了独特的高寒生态系统，内部地势平缓开阔，源泊星罗棋布。
保护区是中国高原现代冰川分布最广的地区，这里有念青唐古拉山现代冰川、羌塘高原现代冰川、唐古拉山现代冰川、昆仑山现代冰川等众多山系现代冰川。
保护区是世界上湖泊数量最多、湖面最高的高原湖区，占中国湖泊总面积的25%。