該保護區主要保護對象是世界珍禽褐馬雞及華北落葉松、云杉天然次生林植被。據相關資料顯示，該保護區有高等植物88科828種，其中，蕨類植物7科128種，裸子植物2科7種，被子植物78科809種，還有地衣、苔蘚等部分低等植物。區內動物種類和數量也很豐富，有鳥類38科189種，獸類15科32種。兩棲爬行類8科17種，昆蟲1000多種。保護區內有褐馬雞、金雕、黑鶴、金錢豹、原麝5種國家一級重點保護動物，它們都在保護區內居留繁殖，是非常有保護價值的區域。還有鴛鴦，鳶、紅角鸮等23種猛禽及青鼬25種國家二級重點保護動物，以及蒼鷺、金眶鸻、小杜鵑、普通夜鷹等14種山西省省級重點保護動物。 褐馬雞為國家一級重點保護動物，是中國的特產鳥類，被列為國際自然與自然保護聯盟《IUCN》紅皮書中瀕危物種，在歷史上廣泛分布于中國華北地區。褐馬雞種群數量曾在該保護區建區初期的1982年調查為558只，到2009年監測的數量為2000只左右。龐泉溝自然保護區在保護珍禽褐馬雞中具有極其重要的意義。 該保護區是華北落葉松的原生地，也是以華北落葉松、油松為主的針闊葉混交林帶。除落葉外，還有白榆、白樺、白楊等樹種，林木整齊，單位蓄積量高，是山西境內經濟價值最大的林區。野生植物資源也很豐富，其中有大量的黨參、黃芪、甘草、菖蒲、連翹、
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