該自然保護區位於華北地臺南緣，是華北地臺南緣豫西斷隆的壹部分，南臨秦嶺地槽褶皺系。它的發生和發展主要受華北地臺基底控制，並受秦嶺古海槽和中生代沿海太平洋構造活動的強烈影響。主要植被類型為落葉闊葉林。保護區共有維管束植物137科，708屬，1958種。占全省植物總種數的56%，其中蕨類植物132 20科，裸子植物10 5科，被子植物11808 02科647屬。
中國種子植物特有種1029種，占該地區所有植物的49%。模式標本為靈寶杜鵑、靈寶翠雀、河南獼猴桃、河南秋海棠、河南蕙蘭、河南石斛。此外，許多植物在南方或北方以此區域為界，也具有很高的科研價值。
小秦嶺國家級自然保護區有國家重點保護植物13種。其中有兩種國家壹級保護植物:紅豆杉和銀杏；二級保護植物有水曲柳、香果樹、野生大豆、天麻等11種。自然保護區內大約有200種陸生脊椎動物。野豬、狼、狐、青虎、豬猩、豹紋鰨、野豬等經濟動物100余種。
本區有國家保護動物27種，隸屬於6目11科，其中金錢豹、林麝、金雕、黑鸛4種。國家二類有金貓、豺、黃喉水貂、水獺等23種，占國家保護動物的8.16%，在物種分布中占有重要地位。