河北泥河湾国家级自然保护区位于“泥河湾盆地”的东部，其保护区域范围的绝大部分属阳原县辖区，部分地段分布在蔚县境内。地理坐标介于东经113°45′~114°45′，北纬40°00′~40°20′之间，保护区总面积1015 hm²。

1997年2月，经省政府批准建立河北泥河湾省级自然保护区，2002年7月，经国务院批准晋升为国家级自然保护区。主要保护对象为新生代典型地层剖面、晚新生代地层中的哺乳动物化石及其主要发掘遗址、地层中的人类文化遗迹和古人类活动遗址、晚新生代地层中的软体和微体动物化石、湖相叠层石、发育在泥河湾地层中的特殊地貌景观，属地质遗迹类型自然保护区。

河北泥河湾国家级自然保护区所处区域属东亚大陆性半干旱季风气候区，年平均气温约为6.8℃，区内多年平均降水量为390mm/a左右。永定河的一级支流—桑干河是区内最大的河流，与其主干支流浑河、黄水河、源子河、御河、壶流河等构成桑干河水系。

由于人为因素的影响，在保护区范围内除人工栽培以外，自然植被以草本植物为主，木本植物多以灌木形式存在，落叶阔叶乔木极少。根据调查结合有关资料，保护区植被可划分为三个自然植被地带：基岩出露的灌丛—草丛地带；黄土台地及沟梁谷坡草原地带和桑干河、壶流河谷底湿地—轻度盐湿灌丛草丛地带。保护区内共发现野生植物67科，326种，按用途分为药用植物类（122种），工业化工原料类（50种），防护、用材、经济林类（16种），食用植物类（43种），饲料牧草类（45种），其他用途类（50种）。

泥河湾自然保护区埋藏着丰富的哺乳动物化石和大量旧石器时代考古遗迹，世界上其剖面最多、保存的最完好、国际地质考古界公认的第四纪标准地层，是世界上绝无仅有的早更新世石器时代的遗地，它的考察发掘，被评为中国20世纪100项考古重大发现之一。

泥河湾沉积层是国内外罕见的晚新生代湖河相沉积地层。自1948年第十八届国际地质大会与欧洲维拉弗朗组相对比以来，一直被作为中国北方与维拉弗朗组及其动物群相当的标准地层。经过中外学者近八十年的研究，进一步确认“泥河湾层”为更新世的标准地层。“泥河湾层”沉积厚度大，地层层序完整，出露广泛；各时代哺乳动物群的化石代表齐全；不同时代的人类文化和人类活动遗址丰富多彩，在中国乃至世界第四纪湖河相沉积地层中具有典型性。

保护区各种地质遗迹形成于不同的地质历史时期，其地质地貌景观、哺乳动物化石、人类文化遗址等重要遗迹是经过二至三百万年以来的地球演化而保存下来的宝贵遗产，尽管目前的人类活动对区域环境和局部剖面造成一定影响和破坏，但是在区域保护范围内自然营力仍占主导地位，各类遗迹保持其自然性，可谓真正的“天然实验室”和“自然博物馆”。

保护区地质遗迹资源丰富，从地层剖面、沉积物到地貌景观，从大型哺乳动物群到微体生物化石，从旧石器人类文化遗址到新石器古代文明，均反映出区内地质遗迹具有的多样性特点。其中的地层和沉积物因形成环境、物质组成、人类作用、构造条件等不同而表现各异，反映了地质历史时期湖泊、流水、冰缘、风力、重力等沉积环境的多样性，以及地球内外动力变化与气候干、湿、冷、暖变化的多样性。

泥河湾保护区地质遗迹的典型性、自然性、多样性是在泥河湾盆地特殊地质环境条件下形成的，其巨厚的湖河相沉积、壮观的天然剖面、丰富的动植物化石、不同时代的哺乳动物群、众多旧石器人类文化遗址、独特的地貌景观，为国内少有、世界罕见，其总体特征构成了中国乃至世界之最。