河北泥河灣國家級自然保護區位于“泥河灣盆地”的東部，其保護區域范圍的絕大部分屬陽原縣轄區，部分地段分布在蔚縣境內。地理坐標介于東經113°45′~114°45′，北緯40°00′~40°20′之間，保護區總面積1015 hm²。

1997年2月，經省政府批準建立河北泥河灣省級自然保護區，2002年7月，經國務院批準晉升為國家級自然保護區。主要保護對象為新生代典型地層剖面、晚新生代地層中的哺乳動物化石及其主要發掘遺址、地層中的人類文化遺跡和古人類活動遺址、晚新生代地層中的軟體和微體動物化石、湖相疊層石、發育在泥河灣地層中的特殊地貌景觀，屬地質遺跡類型自然保護區。

河北泥河灣國家級自然保護區所處區域屬東亞大陸性半干旱季風氣候區，年平均氣溫約為6.8℃，區內多年平均降水量為390mm/a左右。永定河的一級支流—桑干河是區內最大的河流，與其主干支流渾河、黃水河、源子河、御河、壺流河等構成桑干河水系。

由于人為因素的影響，在保護區范圍內除人工栽培以外，自然植被以草本植物為主，木本植物多以灌木形式存在，落葉闊葉喬木極少。根據調查結合有關資料，保護區植被可劃分為三個自然植被地帶：基巖出露的灌叢—草叢地帶；黃土臺地及溝梁谷坡草原地帶和桑干河、壺流河谷底濕地—輕度鹽濕灌叢草叢地帶。保護區內共發現野生植物67科，326種，按用途分為藥用植物類（122種），工業化工原料類（50種），防護、用材、經濟林類（16種），食用植物類（43種），飼料牧草類（45種），其他用途類（50種）。

泥河灣自然保護區埋藏著豐富的哺乳動物化石和大量舊石器時代考古遺跡，世界上其剖面最多、保存的最完好、國際地質考古界公認的第四紀標準地層，是世界上絕無僅有的早更新世石器時代的遺地，它的考察發掘，被評為中國20世紀100項考古重大發現之一。

泥河灣沉積層是國內外罕見的晚新生代湖河相沉積地層。自1948年第十八屆國際地質大會與歐洲維拉弗朗組相對比以來，一直被作為中國北方與維拉弗朗組及其動物群相當的標準地層。經過中外學者近八十年的研究，進一步確認“泥河灣層”為更新世的標準地層。“泥河灣層”沉積厚度大，地層層序完整，出露廣泛；各時代哺乳動物群的化石代表齊全；不同時代的人類文化和人類活動遺址豐富多彩，在中國乃至世界第四紀湖河相沉積地層中具有典型性。

保護區各種地質遺跡形成于不同的地質歷史時期，其地質地貌景觀、哺乳動物化石、人類文化遺址等重要遺跡是經過二至三百萬年以來的地球演化而保存下來的寶貴遺產，盡管目前的人類活動對區域環境和局部剖面造成一定影響和破壞，但是在區域保護范圍內自然營力仍占主導地位，各類遺跡保持其自然性，可謂真正的“天然實驗室”和“自然博物館”。

保護區地質遺跡資源豐富，從地層剖面、沉積物到地貌景觀，從大型哺乳動物群到微體生物化石，從舊石器人類文化遺址到新石器古代文明，均反映出區內地質遺跡具有的多樣性特點。其中的地層和沉積物因形成環境、物質組成、人類作用、構造條件等不同而表現各異，反映了地質歷史時期湖泊、流水、冰緣、風力、重力等沉積環境的多樣性，以及地球內外動力變化與氣候干、濕、冷、暖變化的多樣性。

泥河灣保護區地質遺跡的典型性、自然性、多樣性是在泥河灣盆地特殊地質環境條件下形成的，其巨厚的湖河相沉積、壯觀的天然剖面、豐富的動植物化石、不同時代的哺乳動物群、眾多舊石器人類文化遺址、獨特的地貌景觀，為國內少有、世界罕見，其總體特征構成了中國乃至世界之最。