大屯火山群由20多個火山組合而成，包括七星山、大屯山、竹子山、磺嘴山、面天山、向天山、大尖後山和紗帽山等，地質結構多屬安山岩。其噴發年代可上溯至280萬年前，在歷經無數次大小規模的地殼變動、火山爆發、風吹日曬雨淋，方形成今日之地貌。雖火山噴發活動早已停止，但其傑作－錐狀火山、鐘狀火山、火山口、噴氣口、火口湖、堰塞湖、斷層、瀑布依然清晰可見，而地底下的熱水、硫磺氣經過斷層與裂隙冒出地表後，形成溫泉與噴氣孔等後火山活動的特殊地質景觀，這些皆見證著大屯火山群蘊含的生命力。
大屯火山群因地形陡峭及人為活動頻繁，不利大型哺乳動物活動，但複雜林相仍提供許多中、小型野生動物作為棲息場所；在生態保護區，臺灣獼猴、臺灣野豬、白鼻心、刺鼠等哺乳動物活動頻繁。本區鳥類種類相當豐富，約有123種，以鳥類分布而言，樹林中常見有竹雞、綠繡眼、山紅頭等；草原灌叢裡則有鷦鶯、粉紅鸚嘴；水域則可見臺灣紫嘯鶇、小白鷺等。
除此之外，區內最具代表性的還有五色鳥、臺灣藍鵲等野鳥。其中臺灣藍鵲又稱為長尾山娘，其羽毛鮮麗，是臺灣特有種。每年5月至8月是本區的蝴蝶季，到處可見彩蝶翩翩的畫面，特別是大屯山的青斑蝶類常成千上百地隨著氣流飛舞，形成獨特而曼妙的生態景觀；若論特殊性，則屬臺灣麝香鳳蝶，不但外形漂亮，更是臺灣特有種。
夏天來臨時，山林裡則上演一場場蟬鳴樂章，臺灣騷蟬、陽明山暮蟬、草蟬與蟪蛄等此起彼落地吟唱不絕。本區爬蟲類有53種，其中紅斑蛇、過山刀數量最多，毒蛇類則以龜殼花、眼鏡蛇最常見；兩棲類計有臺北樹蛙、拉都西氏赤蛙與小雨蛙等23種，其中又以澤蛙、臺北樹蛙及盤古蟾蜍分布最廣，數量也最多。
大屯火山群雖位於亞熱帶氣候區，但受到兩項因素影響，使本區植被的分布不同於同緯度的其他地區，首先，因後火山活動的影響，區內土壤溫度偏高、缺鈣，且呈強酸性，讓本區出現地熱區植物與水生植物；再者，因臺灣冬天盛行東北季風，而本區首當其衝，致氣候較平地更為潮濕、多雨、低溫，此一「北降現象」使本區除擁有亞熱帶雨林、暖溫帶常綠闊葉林與山脊矮草原等不同植物帶外，一些棲息在臺灣中部2,000公尺的中海拔植物亦可在此見到蹤跡。
溫泉和噴氣孔一帶，高溫、硫氣重，一般植物很難生長，僅有地衣、苔蘚、藻類等可以生長，地熱區常見的植物有葉苔、曲柄蘚、硫磺芝、水生集胞藻。其中水生集胞藻是藍綠藻的一種，藍綠藻是地球上最古老的光合作用植物。水生植物主要分布在火口沼澤地，以水毛花、針蘭、荸薺、燈心草最常見，其中臺灣水韭為臺灣特有種，為生長在夢幻湖的水生植物。
夢幻湖
包籜矢竹和芒草是草原景觀之主要植被。包籜矢竹因其地下走莖嚴密蔓伸，使其他植物罕能生根立命，為了演化出更好的基因，適應環境變遷，園區內包籜矢竹曾於1999年大量開花，開花後整株死亡，取而代之的是新生的幼苗。本區芒草係指「白背芒」，因生長在火山熱霧籠罩的坡面，使其植株較其他地區的芒草矮小，花穗呈現紅色，每逢9、10月間，鮮紅的芒花為本區特有的景觀。
大屯山頂二子坪的芒草
闊葉林大約分布在海拔500至900公尺的範圍，主要以樟科植物為優勢種，如紅楠、大葉楠等，其他原分布在臺灣中海拔的植物如臺灣龍膽、臺灣馬醉木、昆欄樹等在本區也可看見。配合著草本植物和穿梭林間的藤蔓植物，構成本區極具垂直變化的植物世界，提供各種鳥類、昆蟲、哺乳動物、兩棲類動物等絕佳的棲息、覓食與活動空間。
本區有多種稀有植物，如臺灣水韭、大屯杜鵑、中原杜鵑、鐘萼木、八角蓮、四照花等。僅散生在大屯山、上磺溪上游的臺灣島槐是臺灣特有種，而本區是其唯一產地。