保护区的地表水主要有过境的黄河水、大气降水径流和泉水湖泊。黄河丰水期和枯水期径流量变化较大，水面自然比降为1/1300左右，洪水期流速2.2～4.0m/s，常水期为1.7～3.0m/s，枯水期为0.77～2.0m/s。平均水深洪水期1.8～8.7m，常水期1.7～5.2m，枯水期1.6～3.7m。平均流量为1038m/s。由于受基地构造的控制，形成一些封闭的内陆湖盆。如碱碱湖、小湖、高墩湖、马场湖、荒草湖等内陆湖泊，总面积721公顷，是本区多种脊椎动物类群的栖息地。

沙坡头保护区土壤类型较为复杂，分布有6个土类，土壤总面积13262.6公顷，以风沙土为主，另外尚有灰钙土、潮土、新积土、灌淤土、盐土分布。风沙土面积10610公顷，占保护区土壤总面积的80%左右；灰钙土面积1127公顷，占保护区土壤总面积的8.5%；潮土面积1326公顷，占保护区土壤总面积的10%；另外新积土、灌淤土、盐土合计面积只有199.6公顷，占保护区总面积的1.5%。

沙坡头国家级自然保护区范围东起二道沙沟南护林房，西至头道墩，北接腾格里沙漠，沙坡头段向北延伸1000～2000米，沿“三北”防护林二期工程基线向东北延伸至定北墩外围300～500米，南临黄河，东西长约38km，南北约5km，地理坐标：东经104°49′25″～105°09′24″，北纬37°25′58″～37°37′24″。保护区内有沙坡头村、鸣钟村、黑林村、夹道村、孟家湾村、长流水村6个行政村。

保护区共有裸子植物4科8属14种（包括种下等级），被子植物75科220属426种（包括种下等级），合计种子植物79科228属440种，占宁夏回族自治区种子植物的24.30%。其中栽培植物共176种；自然分布的野生植物264种包括双子叶植物190种，单子叶植物12科41属72种。保护区被列入国家一、二级保护的植物有裸果木、沙冬青和胡杨。阿拉善地区特有植物有阿拉善碱蓬、宽叶水柏枝和百花蒿。有经济价值的资源植物共计63种，占保护区种子植物的14.32%。

保护区的湿地植物有水生和湿生两大类，共有114种植物，占保护区植物种类的25.91%。保护区的水生植物分为沉水植物、浮水植物和挺水植物。

沉水植物，整株沉于水下，为典型的水生植物。他们的根退化或消失，表皮细胞可直接吸收水中气体、营养物质和水分；叶绿体大而多，适应水中的弱光环境；无性繁殖较有性繁殖发达。这类植物在保护区的代表种类有狸藻、茨藻等。

浮水植物，叶片漂浮水面，气孔分布于叶片上面，维管束和机械组织不发达，无性生殖速度快，生产力高。保护区代表种类有浮萍和眼子菜等。

挺水植物，植物体挺出水面，机体细胞大，通气通水性能好。保护区代表植物有香蒲等。

保护区的湿地植被可划分2个植被型组，3个植被型，6个植被亚型，11个群系。

保护区有脊椎动物194种，其中鱼类18种，两栖类3种，爬行类5种，鸟类147种，兽类21种。鱼类占宁夏回族自治区鱼类种数的58.1%，两栖类占50.0%，爬行类占27.8%，鸟类占51.9%，兽类占29.6%。保护区列入国家重点保护野生动物名录的种类有23种，占保护区脊椎动物的11.9%，其中一级保护动物5种：黑鹳、金雕、玉带海雕、白尾海雕和大鸨，二级保护动物18种：灰鹤、蓑羽鹤、白琵鹭、荒漠猫、猞猁、鹅喉羚、岩羊等。保护区列入CITES附录的脊椎动物有21种，占保护区脊椎动物种类的10.82%，其中列入附录Ⅰ的只有白尾海雕一种，余均为附录Ⅱ。列入《中日保护候鸟及栖息环境协定》鸟类名录并分布于保护区的鸟类有65种，占保护区鸟类种数44.2%。

湿地是多种脊椎动物类群的栖息地。保护区的湿地动物被列入国家保护动物的种类都是鸟类，共有7种，占保护区国家保护动物的30.43%，其中Ⅰ级2种：玉带海雕和白尾海雕；Ⅱ级5种：鹗、大天鹅、灰鹤、蓑羽鹤和白琵鹭。

保护区湿地有鱼类18种。其中分布于计划调入保护区的过境黄河的有8种，占保护区鱼类的44.44%。

保护区的湿地可分为天然湿地和人工湿地两大类型。保护区的天然湿地由河流和沼泽湖泊组成。黄河从沙坡头流过，与生活其岸边和水中的生物共同构成河流湿地生态系统。这次调整计划将过境的黄河划入保护区，以增加保护区的湿地面积。由于黄河流水大量渗入地下，储于沙砾层中，形成地下水丰富的含水层。在低地，地下水溢出，形成相当面积的沼泽，主要分布于马场湖（30公顷）、高墩湖（80公顷）、小湖（30公顷）和荒草湖等。保护区人工湿地是人类活动形成的湿地，保护区这类湿地主要是鱼塘。现有的鱼塘大部分是1987年以来开发的，总面积达218公顷。

自然保护区管理机构定名为“宁夏中卫沙坡头国家级自然保护区管理局”，直属宁夏环境保护局领导，行政级别为处级。自然保护区对自然资源的管护实行管理局—保护管理站二级管理体系。为全民所有制事业单位。

根据保护区的保护任务、职能范围和管理项目等实际情况，管理局内部下设办公室、财务科、管理科、技术科、公安派出所5个职能机构和1个科研宣教服务中心，下辖5个保护管理站。

通过珍稀、濒危野生物种的繁殖培育基地建设、实施核心区、缓冲区防护工程，能进一步控制和杜绝人类活动对核心区、缓冲区的干扰与破坏，使保护区内的鸟类得到有效保护，自然植被得以恢复。

（1）保护野生沙生生物物种和生物群落生长繁衍发展。

（2）明显体现水源涵养和调节小气候的能力，使自然保护区内形成独特的沙区小绿洲生态系统。

（3）阻挡沙漠前移，减少土壤侵蚀和水土流失。

沙坡头国家级自然保护区主要保护对象为自然沙漠景观、天然沙生植被、治沙科研成果、野生动物、明代古长城、沙坡鸣钟等人文景观及其自然综合体。

保护区气候独特，地貌和土壤类型多样且较为复杂，黄河流经保护区边缘，集灌溉、发电为一体的沙坡头水利枢纽工程建于此。复杂的自然地理条件为各种生物及生态类型的形成与发展提供了多种生境。保护区内以麦草方格沙生植物为主的“五带一体”固沙防护林工程保护了包兰铁路和银兰公路的畅通无阻，成功地抵御了腾格里沙漠的南侵，在西北荒漠中形成了一个良性循环的生态环境小区。同时，区内的“三北”防护林工程体系像一条绿色的生态屏障，保护着中卫市城区以西中宝铁路交通枢纽以及工农业生产基地的生态安全，使其免受风沙危害。

宁夏沙坡头国家级自然保护区管理局结合水鸟保护救护项目及野生动物疫源疫病监测工作，采取动物样线调查、红外相机拍摄及野外高清视频监控等多种监测方式，对保护区内6条野生动物监测样线、10余处湖泊湿地及5处野生动物人工饮水点进行了生态监测，及时掌握和发现保护区野生动物种群数量动态。

截至2020年5月10日，通过对17台红外相机、5台高清云台摄像机的监测记录及回收数据分析，共发现68种陆生野生动物。其中，国家一级保护动物2种：金雕、黑鹳；国家二级保护动物11种，包括鹅喉羚、鹗、乌雕、白琵鹭等；其他动物55种，包括赤狐、环颈雉、苍鹭、白鹭等。

宁夏沙坡头国家级自然保护区物种资源丰富、生态系统多样化，是中国最早建立的7个荒漠生态类型的自然保护区之一，具有广泛的区域代表性和地域分界特点，在自然地理、农业区划以及全球气候变化研究中具有特殊的地位。本次监测工作的开展，进一步充实了保护区生物多样性本底资料，增强了保护区珍稀濒危野生动物物种的保护成效，提升了保护区管理局在野生动物监测等方面的能力和水平。

沙坡头旅游区是国家首批AAAA级旅游景区，是第一个国家级沙漠生态自然保护区，是中国三大鸣沙一一沙坡鸣钟所在地，丰硕的治沙成果于1994年被联合国授予“全球环保500佳单位”的光荣称号，同年被国务院授予“科技进步特别奖”被世人称为“沙都”。2004年被国家体育总局授予“全民健身二十个著名景观”。2007年5月8日，中卫市沙坡头旅游景区经国家旅游局正式批准为国家5A级旅游景区。

通过自然保护区的建立和有效管理，使自然保护区内资源得到合理保护与科学合理利用，有利于自然保护区内荒漠生态系统的良性循环，进一步保障西北铁路大动脉“包兰”铁路的畅通，使铁路运输效益每年在1080万元以上，保护区治沙成果在全国沙漠化地区及全球56个国家和地区推广，将发挥更大的经济效益。项目规划完成后，保护区所产生的生态效益，可促进当地区域经济的发展，同时极大的改善与提高保护区的自养能力。

荒漠生态旅游活动的开展，每年旅游收入达2000余万元，可增加当地的旅游和其他服务业收入，带动沙坡头地区餐饮、运输、交通、旅馆等第三产业的发展。

2022年，宁夏将对沙坡头国家级自然保护区开展自然资源确权登记工作，进一步摸清自然保护地范围内湿地、草原、荒地等自然资源的数量、质量、种类、分布等自然状况。