2001年6月，大黑山被批准为国家级自然保护区，该保护区是一个以保护草原、森林多种生态系统及野生动植物栖息地和西辽河水源涵养地为主要保护对象的丘陵山地综合性自然保护区。其生物复杂多样，具有很强的典型性、代表性、特有性和脆弱性，在全国生物多样性保护中占有重要的地位，对研究全球环境演变具有重要的价值。

大黑山保护区内有5个植被类型，14个群系，主要有草原植被、森林植被、灌丛植被、半灌丛植被、草甸植被。保护区内有鸟类16目41科81属142种，其中国家一级保护鸟类金雕一种，国家二级保护鸟类鸢、雀鹰、红脚隼、黄爪隼等21种，其中黄爪隼为国际受胁鸟；哺乳动物6目13科29种，其中黄羊为国家二级保护动物，昆虫类7目30属158种；野生维管束植物82科301属600余种，此外还有两栖类、爬行类动物以及大量的真菌、苔藓，生物多样性十分显著。