牡丹峰属寒温带气候，雨量充沛，山高谷深，生长着多种贵重树木，被称做“塞外绿色宝库”。
牡丹峰在历史上曾是碧波荡漾的湖泊，大约于900万年前火山爆发，形成以玄武岩为主的火山体。随着地壳的升降，火山体经洪水冲刷，成为今天这种山峦重叠、沟壑交错的地貌，最高的牡丹峰海拔1111米，区内溪流纵横，山泉四季喷涌，水资源十分丰富。
这里地处温带北部，植被分布具有寒温带、温带的特点。区内森林茂密，自下而上地生长着柞树林、杨桦林、阔叶混交林、针阔叶混交林。植物资源丰富，有高等植物500多种。高大的红松、云杉、冷杉挺拔粗壮；黄菠萝、胡桃楸、水曲柳等珍贵的阔叶树随处可见；兴安圆柏、杜松是从寒温带迁移到这里的稀客。
林下的蕨菜、北芪、五味子、百合是具有各种用途的植物。良好的自然环境中栖息着东北虎、马鹿、麝等30多种兽类；鸟类有天鹅、大雁、金雕、金腰燕等170多种，其中以候鸟的数量、种类为最多；昆虫有400多种，其中美丽的桔凤蝶、黄凤蝶、绢蝶等共有40多种。
牡丹峰自然保护区不仅是东北地区研究次生林演替变化的理想场所，还是人们领略大自然美丽景观的游览胜地。