武陵源位于西部高原亚区与东部丘陵平原亚区的边缘，东北接湖北，西部直达神农架等地，西南联于黔东梵净山。各地生物相互渗透，物种丰富，特别是这里地形复杂，坡陡沟深，加上气候温和，雨量丰富，森林发育茂盛，给众多物种的生存和繁衍提供了良好的环境条件。加之武陵源交通不便，人口稀少，受人为干扰较少，从而保存了丰富的生物资源，成为我国众多子遗植物和珍稀动植物集中分布地区。据考证，干百年来武陵源从未发生过较大的气候异常、水土流失、岩体崩塌或森林病虫害大发生等现象，证明武陵源保持了一个结构合理而又完整的生态系统，具有极其重要的科研价值。
武陵源植物资源十分丰富：在众多的植物中，武陵松分布最广，数量最多，形态最奇，有“武陵源里三千峰，峰有十万八千松”之誉。
古树是自然遗产中的“活文物”。武陵源的古树名木具有古、大、珍、奇、多的特点。神堂湾、黑枞脑保存有完好的原始森林。张家界村一株银杏古树高达44米，胸径为1．59米，被称为自然遗产中的活化石。生长于腰子寨的珙桐，是国家一级保护珍贵树木。这些植物种质资源，有着极高的科研价值，它们的生存环境、林相结构及其保护、保存等都是重大的研究课题。
宝贵的野生珍稀动物：武陵源在动物地理分布上属于东洋界，华中区，位于西部山地高原亚区与东区部丘陵平原亚区的交界线边缘。这里地形复杂，气候温和，雨量丰富，经过长期的侵蚀风化，石英砂岩构成巨大的奇峰异石，坡陡沟深，加之森林茂密，给动物生活、繁衍创造了良好的环境条件。经初步调查，陆生脊椎动物共有50科116种，其中包括《国家重点保护动物名单》中的一级保护动物3种，二级保护动物10种。武陵源动物世界中，较多的是猕猴，据初步观察统计为300只以上。当地人叫做“娃娃鱼”的大鳃，则遍见于溪流、泉、潭中。研究动物生态在武陵源生态系统中的作用及两者的关系，对于保护动物和维护生态平衡有着重要的科学价值。
珍奇的地质遗迹景观
武陵源回音壁上泥盆系地层中砂纹和跳鱼潭边岩画上的波痕，是不可多得的地质遗迹，不仅可供参观，而且是研究古环境和海陆变迁的证据。分布在天子山二叠系地层中的珊瑚化石，形如龟背花纹，故称“龟纹石”，是雕塑各种工艺品的上好材料。
多姿多彩的气候景观
武陵源的春、夏、秋、冬，阴、晴、朝、暮，气候万千。云雾是武陵源最多见的气象奇观，有云雾、云海、云涛、云瀑和云彩五种形态。雨后初霁，先是膘胧大雾，继而化为白云，缥缈沉浮，群峰在无边无际的云海中时隐时现，如蓬莱仙岛，玉宇琼楼，置身其间，飘飘欲仙，有时云海涨过峰顶，然后以铺天盖地之势，飞滚直泻，化为云瀑，蔚为壮观。