哀牢山是云岭南延支脉，第四纪喜马拉雅造山运动期间，由于地面抬升，河流下切，高差增大，而形成今天深度切割的山地地貌。由戛洒江自西北向东南斜贯直下，江西部哀牢山脉与戛洒江为平行走向，山川交错，山高谷深。哀牢山主峰大底岩海拔3165.9米，耸立在者竜乡与镇源县接壤处；次峰大雪锅山海拔3137米，云缠雾绕，巍峨壮观，植物分布区系复杂，古老名贵植物种类较多，在气候、地质生物等方面有较高的科研价值，是自然保护区的核心区，是中外科学家合作考察研究的重要基地之一。著名的大帽耳山、小帽耳山，婷婷玉立、千姿百态。江边一带多冲积扇和山丘，为鸡爪发育，是发展粮食和热带经济作物的理想之地，江东为云南高原南部边缘地区，多属中山中切割地貌，适宜云南松和中亚热带水果生长。
哀牢山自然保护区地处东亚季风热带、南亚季风热带和青藏横断山系三大自然地理区域的交汇处，是云南省东西季风气候和青藏高原气候的分界线。它犹如天然“长城”，有力地阻挡了孟加拉北上的西南暖湿气流，当气流运动到这里后，气温降低，有利于凝结降水，气流越过哀牢山后，减湿增温。故此，在海拔2800米左右的哀牢山区，年降水量达2200毫米，海拔900米以下的哀牢山北麓，年平均降雨量800毫米∽900毫米之间。
哀牢山保护区在动植物区系上是东亚与南亚、喜马拉雅和印缅区系的汇合处，不少动物南来北至，东进西入。在长期的适应和进化过程中各得其所，和当地品种一道，形成现今的动物和森林植物群落，而且保留着完整的原始面貌。夏天，茂密的枝叶遮天蔽日，身入林间，宛如进入翡翠宫中；冬天，则是白雪皑皑，冬树雪花，又似水晶龙宫。据新平县林业局调查，从该保护区采集记录到的高等植物有187科、541属、971种。境内的桫椤、水青树、水杉、滇山茶、红椿、楠木、厚朴、似血杜鹃、紫微、红花木莲、钟萼木、蓖子三尖杉等系国家重点保护林木。
哀牢山森林植被属国内热带南部山地垂直地带类型。由于气候、地形、土壤的影响，新平县境内森林类型较多，其中的中山湿性常绿阔叶的原始森林为主要森林类型，实属罕见，因而为中外学者所注目，被专家们誉为镶嵌在植物王国皇冠上一块 “绿宝石”。组成这类森林群落的种类繁多，仅乔木就有75种。群落结构总的特点是乔木层以常绿树种为主，发育尚好，并处于原始状况；灌木、草木植物不发达；而附生苔藓特别发达，非常普遍，故有“苔藓林”之称。据勘察在大雪锅山附近海拔2800米处发现一块倒卯叶石栎苔藓林，其树高29米，胸径40厘米，平均每公顷蓄积1000立方米，它是目前所发现的中山湿性常绿阔叶林中发育最好的群落类型。海拔2900米以上地带，由于长年强风、低温和土壤脊落影响而形成山顶常绿阔叶矮曲林，是常绿阔叶林罕见的矮林，具有一定的科研价值。除此之外，小果拷和云南铁杉为优势的中山湿性常绿阔叶林及山地阔叶林向山地针叶林过渡的湿性针阔混交林。保护好哀牢山区原生森林植被和稀有野生动物，对研究森林生态系统的形成和变化，繁殖生物资源具有极其重要的意义。同时，茂密的森林对于保持水土、涵养水源、调节气候以及维护生态平衡起着重要的作用。
由于哀牢山延绵数百里，横贯于云南中部，跨于热带和亚热带，形成南北动物天然“走廊”，是世界上某些候鸟迁徙的必经之地，是保存生物种源难得的“基因库”。其优越地理位置和地形地势迎来了“远方之客”，幽静的森林环境，使它们留连忘返而定居繁殖，故哀牢山分布着多种区系的森林动物，号称为“动物王国”，是国内动物资源窝集的宝库之一。哀牢山保护区的鸟、兽类多达460种，两栖爬行动物46种，其中列为国家重点保护的动物有黑长臂猿、黑叶猴、灰叶猴、蜂猴、懒猴、熊猴、短尾猴、水鹿、黑麂、穿山甲、苏门羚、斑羚、绿孔雀、云豹、金钱豹、金猫、大灵猫、岩羊、林麝、斑犀鸟、红腹角雉、锦鸡、肉角鸡等。此外还有大量的珍贵经济动物、药用动物和观赏鸟，罕见种的相思鸟、多种画眉、噪眉、太阳鸟、三索锦蛇、眼镜王蛇、黑熊和赤麂等。
哀牢山自然保护区经中国科学院推选，列为联合国“人与生物圈”森林生态系统的定位观察站。随着社会生产力和科学技术的迅速发展，人类对自然资源的合理利用和保护，越来越显得重要，已有一批批的中外学者到此进行考察，并吸引了更多的爱好者到此旅游、观光。