祁连山自然保护区的主要保护对象为高山水源涵养生态系统、典型森林生态系统及国家重点保护野生动植物。

（1）水源涵养生态系统

祁连山区以其面积广、海拔高截留了大量的地形雨（雪），其降水（包括冰雪融水）汇集形成的径流出山后就是河西走廊的“生命之源”。祁连山区丰富的森林、草原、湿地、冰川、雪山及其独特的地理环境形成了一个巨大的水源涵养复合生态系统，发挥了调节气候、保持水土、改善环境等生态服务功能，特别是通过冰川积雪贮存，森林、草原、湿地调蓄和地下水积蓄三个方面作用，具有显著的涵养水源功能，成为内陆干旱荒漠区的“湿岛”。山区海拔超过4000m以上的地区终年气温在0℃以下，大气降水以积雪和冰川的形式保存在地面；随冰川的运动和气温的变化消融，汇集形成径流，这就是河西走廊的“高山水库”或“固体水库”。根据中科院寒旱所研究测算数据统计，保护区内黑河和石羊河流域冰川融水年均径流量为3.559108m3，占黑河和石羊河流域出山径流量52.17×108m3的6.8%。

（2）典型森林生态系统

祁连山区的森林主要分布于石油河以东的祁连山北坡，建群树种主要有青海云杉和祁连圆柏，局部分布有油松、山杨、桦木等，总面积198681.8hm2。

青海云杉是我国青藏高原东北边缘特有树种，分布于我国青海、甘肃、宁夏、内蒙古等省（区），目前主要分布在祁连山和贺兰山两大山系。祁连山是青海云杉的分布中心，尤其位于甘肃省境内祁连山北坡分布面积最广。据20世纪初调查，青海云杉林总面积136659hm2。甘肃省境内祁连山北坡分布的青海云杉林面积、蓄积分别占当时青海云杉林总面积、蓄积的65.4%和59.8%。(www.daowen.com)

祁连圆柏属寒温性常绿针叶树种和我国青藏高原东北边缘特有树种，在四川北部、青海东部、甘肃河西走廊以南均有分布，集中分布于祁连山东段北坡甘肃境内，在阳坡形成优势林分。因此，祁连山北坡是青海云杉林和祁连圆柏林典型生态系统的最佳保护区域。

此外，保护区还分布约65.4×104hm2的灌木林，尤其是高山灌丛带或高山灌丛草甸带，灌丛枝叶繁茂，相互交织，覆盖度大，有较厚的苔藓层和丰富的伴生草灌植物，对冬季降雪的积存、春秋季降雨的截留、春季冰雪融水的调蓄、四季气温的调节、野生动物的栖息等都有很重要的作用，在涵养水源、保持水土、防止冰川雪线上移、高山草甸下移、维护森林正常演替、保护生物多样性和高山生态环境等方面有重要意义。

（3）国家重点保护野生动植物

保护区共有野生脊椎动物28目63科286种，其中，有国家一级保护动物14种（鸟类8种、兽类6种），国家二级保护动物39种（鸟类26种、兽类13种）。国家保护的有益或有重要经济、科学研究价值的动物（“三有”动物）135种（两栖类2种、鸟类121种、兽类12种），甘肃省保护动物6种（鸟类2种、兽类4种），甘肃省保护的有益或有重要经济、科学研究价值的动物24种。动物中鸟类有196种、兽类有58种、两栖爬行类有13种，分别占甘肃省这些动物种数的44.4%、42.3%和16.0%；占全国种数的16.5%、10.7%和2.0%。动物是以起源于第三亚热带、温带干旱荒漠与草原的古北界地理成分为主，有古北界高地型地理成分的野牦牛（Bos grunniens），古北界东北亚界的北方型地理成分的马鹿（Cervus elaphus），古北界东北亚界中亚型地理成分，古北界东北亚界东北型地理成分等，东洋界地理成分有极少分布，总的特征是动物区系单调。

保护区分布有国家重点保护植物4种。列入《濒危野生动植物种国际贸易公约》的兰科植物12属16种。资源植物83科299属820种。植物区系地理成分复杂，含有温带和热带属的多种地理成分：如北温带成分的杜鹃，温带亚洲成分的鬼箭锦鸡儿，东亚成分的星叶草，地中海成分的小叶鹰咀豆，旧世界温带成分的鲜卑花，泛热带成分，热带亚洲成分种中国特有成分等13个分布类型。其中北温带成分计166属，热带成分少。表明祁连山植物区系成分复杂，北温带成分占优势，热带成分仅有微弱影响。