地层内保存了各种精美的动植物化石，素有“化石博物馆”之称。主要化石门类包括：硅藻、孢粉、植物大化石、介形虫、昆虫、蜘蛛、鱼类、两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类等。代表化石为：玄武蛙、临朐蟾蜍、中新原螈、中新蛇、鲁钝吻鳄、山旺鸟、山旺蝙蝠、硅藻鼠、孔氏半熊、三角原古鹿、柄杯鹿、犀类等。化石保存完整精美，有保存皮肤的犀、保存毛的啮齿类、保存翼膜的蝙蝠和从蝌蚪到成体的不同阶段的蛙化石等。山旺生物群是研究中国东部自新生代以来生物群演化和环境变迁的重要佐证。