天目山脉，地质古老，山体形成于距今1.5亿年前的燕山期，是“江南古陆”的一部分；地貌独特，地形复杂，被称为“华东地区古
冰川遗址之典型”；峭壁突兀，怪石林立，峡谷众多，自然景观幽美，堪称“江南奇山”；特殊的地形和悠久的
佛教文化促使该区域动植物的遗存和
植被的完整保护，成为全世界的一大奇迹，是我国中亚热带林区高等植物资源最丰富的区域之一。
天目山脉地处
中亚热带北缘，又由于独特的山体影响，形成冬暖夏凉的小气候，年平均气温14摄氏度。林木茂密，流水淙淙，造就了丰富的“负离子”和其它对人体有益的气态物质。在天目山空气中“
负离子”含量达每立方厘米十万余个，居同类风景名胜区之冠，具有除尘、杀菌等功效，对呼吸道疾病有良好的疗效。
天目山脉有许多特有树种，以“天目”命名的动植物有85种。其中
天目铁木，全球仅天目山遗存5株，被称为“地球独生子”。此外，
香果树、
领春木、
连香树、
银鹊树等均为珍稀濒危植物；“多”：自然保护区内国家珍稀濒危植物有35种，有
种子植物1718种，
蕨类植物151种，
苔藓类植物291种。茂密的植被进而庇护了
云豹、
黑麂、
白颈长尾雉、
中华虎凤蝶等37种国家级珍稀保护动物，保护区内计有兽类74种，鸟类148种，爬行类44种，两栖类20种，鱼类55种，昆虫已汇编名录者达2000余种。天目山脉是“物种
基因宝库”。因此，被
中宣部、
科技部等单位授予“
全国科普教育基地”和“全国青少年科普活动中心”。（此段描述仅为天目山国家级自然保护区的自然资源情况介绍，未包含西侧、北侧另外两个国家级自然保护区的情况）
天目山脉于1956年被国家林业部划为
森林禁伐区，作为自然保护区加以保护，1986年被公布为
国家级自然保护区，1996年加入
联合国教科文组织人与
生物圈保护区网络。