庞泉沟国家级自然保护区的主要保护对象是中国特有的珍禽褐马鸡及其栖息地。褐马鸡是国家一级重点保护动物，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。保护区内还生长着大面积的华北落叶松天然次生林，这可是华北落叶松的原产地之一，还有云杉等其他珍贵树种，构成了保护区独特的森林生态系统。

保护区的气候属于暖温带及其吕梁山半湿润区，是