黑河流域是我国西部生物多样性重要地区之一，其物种组成复杂多样，地理成分联系广泛，具有明显的区系过渡性。保护区内的珍稀野生动、植物种类丰富，旱生、超旱生植被类型不仅是西北干旱荒漠区退化生境恢复的珍稀群落结构模型，而且是不断适应严酷环境保留下来的珍稀植物基因资源。区内分布有野生脊椎动物209种，其中有《湿地公约》规定的水禽65种，被列入国家重点保护野生动物名录的种类有28种；种子植物53科173属311种，其中国家Ⅰ级保护植物有2种，国家Ⅱ级保护植物有8种；已记录的昆虫有892种，张掖黑河湿地国家级自然保护区是我国珍贵的物种基因资源库。保护区所处区域是北方鸟类和全部陆栖脊椎动物多样性的“偏高值区”，加强张掖黑河湿地自然保护区内生物多样性保护工作，对我国北方生物多样性保育具有十分重要的意义。

    黑河中游湿地是全球8条候鸟迁徙通道之一的东亚—印度通道的重要中转站，每年3月中旬至4月下旬、9月上旬至11月上旬约有10～15万只水禽在此集结和停歇。黑河中游湿地成为珍稀鸟类的栖息地，候鸟的重要繁殖地、越冬地和迁徙路线的主要停歇地。保护区内黑鹳属国家一级野生保护动物，全世界仅存2000只，每年3月下旬至4月下旬、9月上旬至11月上旬，约有200～300只在此停留，部分黑鹳在此繁殖，定期栖息数量占到全球的10%以上。目前，因受到包括经济因素在内的诸多因素限制，对保护区内的野生动植物资源还不能做到有效地管理和保护，致使保护区内滥捕乱猎、乱挖滥采、破坏生境的现象时有发生，野生动、植物赖以生存和繁衍的栖息地正在受到严重威胁。