黑龙江茅兰沟国家级自然保护区地处小兴安岭北坡嘉荫县境内，地理坐标为北纬48°52′00″～49°10′09″，东经129°32′50″～129°54′46″。保护区南接汤汪河林业局,西与乌伊岭林业局接壤,北与嘉荫县的乌云林场相邻,东临黑龙江。保护区南北长36.4km，东西宽26.9km,总面积为35868公顷。保护区管理局局址设在黑龙江省嘉荫县市区内。
保护区地处温带大陆性季风气候区，四季气候变化明显。主要表现为春季风大干旱，夏季温湿多雨，秋季多风干燥，冬季寒冷而漫长。平均气温在－1.5℃，年降水量在500—600mm之间，主要集中在7、8月之间，无霜期110至120天。
保护区地貌类型属于低山丘陵区，地势西高东低，平均海拔250米左右。茅兰沟独特的峡谷地貌景观是我国东北地区花岗岩地貌的典型代表，至今仍保持着完整的原始状态，纯真古朴及山崎水秀、潭优、瀑美、林茂于一身，被人们誉为塞北的“九寨沟”。
保护区内主要河流有茅兰沟河、九旗大河、西支流河、库尔洛斯河、乌云河等5条河流，其中茅兰沟河发源于小兴安岭，受地形影响，形成跌水而发育成众多瀑布和深潭，呈西向东北方向延伸，蜿蜒曲折流入黑龙江；乌云河等其他河流也直接汇入黑龙江。因此该保护区的建设和发展对于维护黑龙江的涵养水源、国家生态安全及区域经济发展将发挥重要的经济价值和社会价值。
保护区内植物种类繁多，生境特异，森林植被类型多样，分布着大面积保存完整的森林生态系统，主要森林类型包括针阔混交林，云冷杉林、云冷杉红松林、兴安落叶松林、樟子松林及天然次生林等，森林类型丰富，生态系统多样，几乎囊括了小兴安岭北部林区的所有森林类型，有着广泛的代表性和典型性。
保护区内共分布有高等植物753种，其中，苔藓植物48科80属103种，蕨类植物12科24属40种，种子植物89科292属610种。其中，国家二级重点保护植物有红松、水曲柳、黄檗、钻天柳、紫椴、野大豆、浮叶慈姑7种。
保护区不仅有着丰富的植物资源，而且还孕育着大量的野生动物资源。据调查统计，保护区有脊椎动物33目71科311种，其中鱼类7目12科44种，两栖类2目4科7种，爬行类动物3目4科10种，鸟类17目42科198种，哺乳类6目17科52种。此外，还有昆虫10目73科367种，大型真菌8目33科261种，充分显示出该保护区的物种多样性。保护区还分布有原麝、紫貂、丹顶鹤、东方白鹳、黑鹳、金雕、细嘴松鸡等国家一级保护动物7种，分布有马鹿、棕熊、花尾榛鸡、鸳鸯等国家二级保护动物37种，这说明该保护区也是众多珍稀野生动物的良好栖息地和繁殖地，有着重要的保护价值。
保护区内生态系统类型丰富，生境特异，森林、灌丛、草甸、沼泽、水塘镶嵌分布，构成了复杂、多样的森林景观。区内丰富的生物物种多样性是一个重要的物种遗传“基因库”，是进行森林生态系统科学研究及开展珍稀濒危野生动物物种研究和保护的理想基地，具有重要的研究价值和科学意义。
根据自然保护区功能区划的理论与原则，结合茅兰沟自然保护区资源分布特点，将该保护区划分为核心区、缓冲区、实验区三个功能区。核心区位于保护区的中心，集中分布着处于保存完好的森林生态系统及珍稀动植物资源。核心区面积为12904公顷，占保护区总面积的36.0%，是绝对保护区域，没有经过批准，任何人不得入内。缓冲区面积为11960公顷，占保护区总面积的33.3%，位于核心区的外围，对核心区起到良好的蔽护作用，可适当安排一些科学考察和生态监测等活动。实验区面积为11004公顷，占保护区总面积的30.7%，主要用于科学实验、生态旅游及多种经营等项目。
黑龙江茅兰沟国家级自然保护区，森林生态系统保存完整，生境独特，珍稀物种多样集中，是集生物多样性保护、科学研究、生态旅游和可持续利用于一体的自然保护区。作为我国小兴安岭北部保存最完整的森林生态系统和独特的花岗岩地质遗迹，本保护区具有国家意义上的珍贵性和稀有性，具有很高的保护价值和深远的历史意义。
