甘肃莲花山国家级自然保护区内森林是中国西部黄土高原向青藏高原过渡地带亚高山针叶林的重要组成部分，保存了干旱地区典型的森林生态系统。甘肃莲花山国家级自然保护区作为中国重要的自然地理分界线和候鸟迁徙通道，其特殊的地理位置和丰富的生物资源成为青藏高原向黄土高原过渡地带的基因库，在拯救珍稀濒危野生动植物、生物多样性研究、维护地区生态安全、促进社区发展方面发挥着重要的作用。

保护区动物资源丰富。截至2012年，有野生动物749种，其中兽类45种，隶属于6目、17科、35属。鸟类133种，隶属14目33科89属。两栖动物有4种，隶属于2目、4科、4属，爬行动物2种，隶属于1目、2科、2属;鱼类5种，隶属于1目、2科，森林昆虫560余种。列入国家重点保护的野生动物有38种。其中有一级保护动物斑尾榛鸡、雉鹑、胡兀鹫、林麝、马麝等9种;有二级保护动物苏门羚、斑羚、岩羊、蓝马鸡、血雉等31种。

保护区生物资源丰富，组成成分和结构极为复杂，物种多样性程度和物种总数丰度高，截至2012年，保护区有种子植物90科346属745种，列为国家保护的植物有星叶草、红花绿绒蒿、胡桃、垂枝云杉、野大豆、黄蓍、木姜子、桃儿七、紫斑牡丹等11种和兰科植物毛杓兰、紫点杓兰等15种。其中木本植物123种、草本和藤本167种。木本植物中，优势种是冷杉、云杉、黄尖柳、华山松、油松、山杨、白桦等。另外，还有药用植物100多种。