保护区内分布有旬河、石砭峪河、乾佑河等，是长江、黄河两大水系的分水岭，是汉江、渭河支流的重要源头，支撑着沿岸数十万人民的生产生活用水，也是西安市的重要水源涵养地。

已知区内有种子植物113科525属1268种。其中有国家Ⅰ级保护植物红豆杉，Ⅱ级保护植物太白红杉、连香树、水曲柳、山白树、星叶草和野大豆等6种，省级保护植物10多种。牛背梁保护区是秦岭东部保存相对完好的天然林区，属暖温带针阔叶混交型的山地森林系统，呈现出明显的垂直结构特征，自下而上分别为落叶阔叶林和松栎针阔混交林带、中高山松桦针阔叶混交林带和亚高山针叶林带。

区内有兽类83种，鸟类171种，两栖爬行类42种，鱼类8种。其中国家Ⅰ级保护动物有羚牛、豹、林麝、金雕等4种，Ⅱ级保护动物有黑熊、斑羚、红腹角雉等26种。

保护区属秦岭中山或亚高山山地，主要是秦岭山地地貌。牛背梁(2802米)为秦岭东段最高峰，北缓南陡，与秦岭中西段“南缓北陡”形成明显对照，当属牛背梁保护区的特殊地貌类型。

保护区属暖温带半湿润季风气候，具有垂直差异明显的山地气候特征， 弥渡县空气质量，年均气温2－10℃，年降水850－950毫米，无霜期130天左右。夏季温凉湿润，冬季寒冷干燥。

牛背梁保护区地处秦岭腹地，层层山峦与莽莽森林把保护区与外界尘嚣远远隔开，生态景观优美，地理人文景观、生物景观、水景景观和壮观的气象景观等交相呼应。区内怪石嶙峋，云海汹涌，奇峰高耸，幽谷碧潭，林荫葱茏，一年四季各不相同。

保护区功能区划为核心区、缓冲区和实验区，其中核心区面积5725公顷，占保护区总面积的34.9%；缓冲区面积4119公顷，占保护区总面积的25.1%；实验区面积6574公顷，占保护区总面积的40.0%。

保护区内生物多样性丰富、植被垂直分布带谱明显，被誉为动植物种的“天然基因库”，是开展科学研究、生态环境教育、教学实习的天然课堂和实验室。保护区繁多的动植物种类和丰富多样的森林景观，以及天然山体、石体和水体景观资源，加上距离西安市较近，交通便利的优势，已成为“西安市的后花园”，成为人们远离喧嚣都市感受自然、休闲旅游、沐浴森林的好去处。

保护区内无人居住，周边范围涉及长安区滦镇街道办喂子坪和子午镇、柞水县的营盘镇和宁陕县的广货街镇等三个县（区）的4个乡（镇）11000余人， 舒兰空气质量，其中紧邻保护区居住的共有5个行政村组3000余人，居民以农业为主，副业主要经营木耳、割漆、养蜂及采集中草药等，是当地居民的主要经济来源。

牛背梁自然保护区管理局内设党委办公室、行政办公室、资源保护科、森林防火办、科研科、公众教育科、财务科、产业发展科、后勤服务中心等9个职能科室。设柞水老林、北沟、宁陕广货街、长安石砭峪四个保护站，站址均选建在辖区主要交通干道沿线，交通便捷。