该保护区主要保护对象是世界珍禽褐马鸡及华北落叶松、云杉天然次生林植被。据相关资料显示，该保护区有高等植物88科828种，其中，蕨类植物7科128种，裸子植物2科7种，被子植物78科809种，还有地衣、苔藓等部分低等植物。区内动物种类和数量也很丰富，有鸟类38科189种，兽类15科32种。两栖爬行类8科17种，昆虫1000多种。保护区内有褐马鸡、金雕、黑鹤、金钱豹、原麝5种国家一级重点保护动物，它们都在保护区内居留繁殖，是非常有保护价值的区域。还有鸳鸯，鸢、红角鸮等23种猛禽及青鼬25种国家二级重点保护动物，以及苍鹭、金眶鸻、小杜鹃、普通夜鹰等14种山西省省级重点保护动物。 褐马鸡为国家一级重点保护动物，是中国的特产鸟类，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。褐马鸡种群数量曾在该保护区建区初期的1982年调查为558只，到2009年监测的数量为2000只左右。庞泉沟自然保护区在保护珍禽褐马鸡中具有极其重要的意义。 该保护区是华北落叶松的原生地，也是以华北落叶松、油松为主的针阔叶混交林带。除落叶外，还有白榆、白桦、白杨等树种，林木整齐，单位蓄积量高，是山西境内经济价值最大的林区。野生植物资源也很丰富，其中有大量的党参、黄芪、甘草、菖蒲、连翘、
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