Территория заповедника расположена в пределах главного водораздела между Волгой и Доном. Заповедник кластерный. В его состав входят 5 участков: 3 степных и 2 лесных Основные растительные формации в заповеднике представлены сосновыми и смешанными лесами, дубравами и луговыми степями. Одним из главных богатств заповедника являются мощные черноземы с толщиной гумусного слоя 80-100 см Попереченского и Островцовского участков.
В настоящее время на территории заповедника выявлено более 900 видов сосудистых растений, 315 видов грибов–макромицетов, 100 видов лишайников и столько же мохообразных. 84 вида сосудистых растений. 6 видов мхов, 11 видов лишайников и 10 видов грибов включены в Красную Книгу Пензенской области (КК ПО).
В Красную Книгу России включены: 2 вида грибов и 9 видов сосудистых растений (рябчик русский, ирис безлистый, неоттианта клобучковая, пыльцеголовник красный, надбородник безлистный и 4 вида ковылей: опушеннолистный, перистый, красивейший и ковыль Залесского).
Заповедные участки – царство цветов и насекомых. Здесь выявлено 1630 видов беспозвоночных, в т.ч. 1030 видов насекомых. В Красную Книгу России включены: дыбка степная, красотел пахучий, жук-олень; бабочки: аполлон обыкновенный, пчелы: пчела-плотник, парнопес крупный, шмель армянский. В Красную книгу Пензенской области занесены 28 вида насекомых и 2 вида паукообразных (тарантул русский и эрезус черный).
В водоемах заповедника и его охранной зоны обнаружено 29 видов рыб и рыбообразных. Минога украинская, подкаменщик обыкновенный и русская быстрянка являются редкими для России, кроме того, один вид – подуст волжский – охраняется на региональном уровне.
Из 17 видов земноводных и рептилий включены в Красную книгу Пензенской области степная гадюка, прудовая и травяная лягушки.
В заповеднике отмечено обитание 164 видов птиц – 62 % авиафауны области. 9 видов занесены в Красную книгу России, еще 25 видов птиц занесены в Красную книгу Пензенской области (изд.2, 2019).
Несмотря на малую площадь заповедника, в нем отмечено 48 видов млекопитающих (66% обитающих в Пензенской области). В заповеднике можно встретить такие редкие для области виды, как: рысь, выдра, горностай, мышь-малютка, серый хомячок, сурок степной, мышовка Штранда, степная пеструшка, лесная соня. Наиболее полно в заповеднике представлены хищные (71% от всех обитающих в области) и грызуны (73% от областного списка). К лесному зональному комплексу относятся рыжая полевка, полевая, желтогорлая и домовая мыши, обыкновенная бурозубка, лесная куница, барсук, лось, кабан. Постоянными компонентами степей являются обыкновенная полевка, слепыш, степная пеструшка, большой тушканчик и другие.
