天目山保护区属中型野生植物类型自然保护区。主要保护对象为银杏、连香树、鹅掌楸等珍稀濒危植物。

天目山地质古老，第四纪冰川影响不深，加上历来都受到人类保护，植被没有遭受过重大破坏，计有苔类植物22科33属70种；藓类植物39科110属240种，葳类植物29科60属110种，种子植物167科716属1570余种，其中木本植物86科277属675种。常绿树种主要有：壳斗科的青冈栎属、拷属、石栎属；樟科的樟属、紫楠属、润楠属、山茶科的柃属、山茶属；还有杜鹃属、山矶属、冬青属等。落叶树种主要有槭科，蔷薇科、豆科、壳斗科的栗属、栎属、水青冈属，樟科的木姜子属和山胡椒属，桦木科、胡桃科、木兰科等种类也较多。天目山据记载有800多种野生药材名贵，有於术、竹节人参、天麻、天目贝母、八角金盘、缺萼黄莲等。

天目山分布有国家重点保护植物25种，其中二类保护8种；银杏、金钱松、天目铁木、独花兰、香果树、连香树、鹅掌楸、黄山梅。三类保护17种，天目木兰、天目木姜子、凹叶厚朴、浙江楠、领春木、银鹊树、八角连、金刚大、羊角槭、短穗竹、青檀、短萼黄连、延龄草、虾脊兰、天麻、野大豆、紫茎。以天目山命名的植物达24种之多，模式标本产地植物那就更多了。

天目山动物种类颇多，哺乳动物有7目27科54种；乌类有10目24科108种；爬行类有3目10科35种；两栖类有2目7科16种，昆虫有26目，巳鉴定的有600余种，还有许多无脊椎动物。天目山的动物成份，主要属东洋界类型，但有少量古北界成份渗入。

哺乳动物主要有；野猪、苏门羚、黑麂、毛冠鹿、大灵猫、小灵猫、猕猴、刺猬、豪猪、穿山甲、华南兔、松鼠、豺、狼、黄鼠，常有游山的金钱豹，有时还有虎的出观。

鸟类主要有：白鹇、白颈长尾雉、锦鸡、竹鸡、红嘴长尾兰鹊、喜鹊、山斑鸠、红嘴相思鸟、斑啄木鸟、大杜鹃、四声杜鹃、画眉、三宝鸟、寿带鸟、戴胜、大山雀等。

两栖类主要有：东方蝾螈、肥螈、淡肩角蟾、桂墩角蟾、泽蛙、大树蛙、饰纹姬蛙等。

爬行类主要有：大头乌龟、鳖、石龙子、北草蜥、赤链蛇、乌梢蛇、蝮蛇、竹叶青、五步蛇等。

保护区的管理机构为浙江天目山国家级自然保护区管理局，下设办公室、财务科、科研所、保护科、生产经营科等职能科室，1998年增设旅游科。

天目山国家级自然保护区是一个以保护生物多样性和森林生态系统为重点的野生植物类型国家自然保护区，也是联合国教科文组织国际人与生物圈保护区网络成员。该保护区地理位置和自然条件独特，区内生物多样性突出，生物资源极其丰富，是一块具有物种多样性、遗传多样性、生态系统多样性和文化多样性的独特宝地，是中国江南不可多得的一座“物种基因库”和“文化遗产宝库”。

天目山植物区系属东亚枣日本区系，与日本联系最为密切，两地共有种达40%之多，在天目山以JaPonica命名的植物达70多种。天目山地势高峻，海拔相差悬殊，较多的暖温带、温带植物侵入到天目山，如水青冈属、椴属、槭属、鹅耳枥属、桦木属等。槭属植物在天目山特别多，有21种，占全国的八分之一。天目山与华南植物区系共有种20多种。与华中植物区系共有种150余种，更有趣的是天目山出现了与北美有联系的替代种，如檫木、鹅掌楸，兰果树等。这从植物区系上说明了东亚大陆与北美大陆的历史渊缘关系，还说明了天目山植物区系的复杂性、多样性和在研究植物区系中的重要性。

天目山自然保护区本身就是一个天然的自然博物馆、文化博物馆，其内有取之不尽的生态、人文等科普题材。近几年，在完善传统科普教育内容的基础上，大胆创新科普题材，充分发掘保护区独特的资源，开展了一系列特色科普活动：

1、野外科考游：推出“走进天目山，亲近大自然”的科普游活动。由专业技术人员带领，沿“教育径”及主要生态旅游路线，认知自然状态下的各类植物、鸟类、昆虫生态习性等等，并不定期开展一些简单的科普知识竞赛活动。同时，参观科技馆，由专业人员介绍，认知天目山的丰富的自然资源及了解天目山深厚的文化底蕴，从而增强对自然的认识程度、关注程度，并可进一步诠释人与自然的关系活动。

2、采风夏令营：分批组织华东地区的小记者，在天目山举行“小记者采风夏令营”活动。如开展“森林大考场”、“古树新苗”家庭摄影、撰写科普游记等有奖比赛。

天目山保护区海拔450米以上，悬崖陡壁、深沟峡谷，构成四面峰、倒挂莲花、狮子口、象鼻峰等地的奇特岩石地貌景观；海拔450米以下为有岩溶地貌景观。此外，保护区还有禅源寺、大树王、周恩来纪念亭等为代表的人文景观。