黑龍江茅蘭溝國家級自然保護區地處小興安嶺北坡嘉蔭縣境內，地理座標爲北緯48°52′00″～49°10′09″，東經129°32′50″～129°54′46″。保護區南接湯汪河林業局,西與烏伊嶺林業局接壤,北與嘉蔭縣的烏雲林場相鄰,東臨黑龍江。保護區南北長36.4km，東西寬26.9km,總面積爲35868公頃。保護區管理局局址設在黑龍江省嘉蔭縣市區內。
保護區地處溫帶大陸性季風氣候區，四季氣候變化明顯。主要表現爲春季風大幹旱，夏季溫溼多雨，秋季多風乾燥，冬季寒冷而漫長。平均氣溫在－1.5℃，年降水量在500—600mm之間，主要集中在7、8月之間，無霜期110至120天。
保護區地貌類型屬於低山丘陵區，地勢西高東低，平均海拔250米左右。茅蘭溝獨特的峽谷地貌景觀是我國東北地區花崗岩地貌的典型代表，至今仍保持着完整的原始狀態，純真古樸及山崎水秀、潭優、瀑美、林茂於一身，被人們譽爲塞北的“九寨溝”。
保護區內主要河流有茅蘭溝河、九旗大河、西支流河、庫爾洛斯河、烏雲河等5條河流，其中茅蘭溝河發源於小興安嶺，受地形影響，形成跌水而發育成衆多瀑布和深潭，呈西向東北方向延伸，蜿蜒曲折流入黑龍江；烏雲河等其他河流也直接匯入黑龍江。因此該保護區的建設和發展對於維護黑龍江的涵養水源、國家生態安全及區域經濟發展將發揮重要的經濟價值和社會價值。
保護區內植物種類繁多，生境特異，森林植被類型多樣，分佈着大面積保存完整的森林生態系統，主要森林類型包括針闊混交林，雲冷杉林、雲冷杉紅松林、興安落葉松林、樟子松林及天然次生林等，森林類型豐富，生態系統多樣，幾乎囊括了小興安嶺北部林區的所有森林類型，有着廣泛的代表性和典型性。
保護區內共分佈有高等植物753種，其中，苔蘚植物48科80屬103種，蕨類植物12科24屬40種，種子植物89科292屬610種。其中，國家二級重點保護植物有紅松、水曲柳、黃檗、鑽天柳、紫椴、野大豆、浮葉慈姑7種。
保護區不僅有着豐富的植物資源，而且還孕育着大量的野生動物資源。據調查統計，保護區有脊椎動物33目71科311種，其中魚類7目12科44種，兩棲類2目4科7種，爬行類動物3目4科10種，鳥類17目42科198種，哺乳類6目17科52種。此外，還有昆蟲10目73科367種，大型真菌8目33科261種，充分顯示出該保護區的物種多樣性。保護區還分佈有原麝、紫貂、丹頂鶴、東方白鸛、黑鸛、金雕、細嘴鬆雞等國家一級保護動物7種，分佈有馬鹿、棕熊、花尾榛雞、鴛鴦等國家二級保護動物37種，這說明該保護區也是衆多珍稀野生動物的良好棲息地和繁殖地，有着重要的保護價值。
保護區內生態系統類型豐富，生境特異，森林、灌叢、草甸、沼澤、水塘鑲嵌分佈，構成了複雜、多樣的森林景觀。區內豐富的生物物種多樣性是一箇重要的物種遺傳“基因庫”，是進行森林生態系統科學研究及開展珍稀瀕危野生動物物種研究和保護的理想基地，具有重要的研究價值和科學意義。
根據自然保護區功能區劃的理論與原則，結合茅蘭溝自然保護區資源分佈特點，將該保護區劃分爲核心區、緩衝區、實驗區三個功能區。核心區位於保護區的中心，集中分佈着處於保存完好的森林生態系統及珍稀動植物資源。核心區面積爲12904公頃，佔保護區總面積的36.0%，是絕對保護區域，沒有經過批准，任何人不得入內。緩衝區面積爲11960公頃，佔保護區總面積的33.3%，位於核心區的外圍，對核心區起到良好的蔽護作用，可適當安排一些科學考察和生態監測等活動。實驗區面積爲11004公頃，佔保護區總面積的30.7%，主要用於科學實驗、生態旅遊及多種經營等項目。
黑龍江茅蘭溝國家級自然保護區，森林生態系統保存完整，生境獨特，珍稀物種多樣集中，是集生物多樣性保護、科學研究、生態旅遊和可持續利用於一體的自然保護區。作爲我國小興安嶺北部保存最完整的森林生態系統和獨特的花崗岩地質遺蹟，本保護區具有國家意義上的珍貴性和稀有性，具有很高的保護價值和深遠的歷史意義。