桃源洞自然保护区位于湖南省东南部，炎陵县（原名酃县，1994年经国务院批准更名）的东北隅，地处东经113о56＇30"～114о06＇20"，北纬26о18＇00"～26о35＇30"，南北长32.25千米，东西宽13.50千米，东与江西井冈山国家级自然保护区毗邻，南与湖南省炎陵县下村乡相连，西与炎陵县的十都镇、策源乡相接，北抵江西宁冈县武功山。
桃源洞自然保护区是湖南省建立最早的省级自然保护区之一。自1982年经省人民政府湘政发（1982）29号文件批准成立以来，区内的森林和野生动植物一直受到严格的保护和管理，基本上实现了保护“保存较完好、区系成分复杂、华南、华东、华中区系交汇的原始森林，我国目前分布东缘的资源冷杉（大院冷杉）、银杉、大型猫科动物、林麂、兰科植物等珍稀濒危物种资源”的建区宗旨。2002年7月经国务院国办发[2002]34号文批准，成为国家级自然保护区，保护对象为华南虎、黄腹角雉、云豹、金钱豹、资源冷杉（大院冷杉）、银杉、南方红豆杉、伯乐树、兰科植物等国家重点保护、珍稀濒危、特有动植物物种资源及其生物多样性，中亚热带湿润地区原始常绿阔叶林森林生态系统。保护区面积23786公顷，占炎陵县土地总面积的11%，其中核心区6357.6公顷，缓冲区面6369.3公顷，实验区10115.1公顷，保护区内活立木蓄积161.47万立方米，森林覆盖率98.75%。
桃源洞自然保护区位于南岭山地向湘中丘陵过渡的边缘地带，属中山地貌。由南岭山脉的万洋山为主体组成，海拔1000米以上的山峰有103座，山体呈南北走向，地势由东南向西北倾斜，东南地势高耸但地形开阔、属高山台地。西北地势较低，但山峦重叠，地势险峻，沟谷纵横。区内最高峰――神农峰（酃峰）海拔2122.35米,为湖南省第一高峰，最低海拔420米，相对高差1700米。
区内气候属中亚热带季风湿润气候区。海拔1000米以下，年平均气温14.4OC,一月最冷月平均气温3.9OC，七月最热月平均气温23.8OC，极端最高气温34.5OC，极端最低气温-9OC，年降雨量1967.9毫米，相对湿度86%，无霜期220天，年雾日170.7天。海拔1000米以上，年平均气温12.3OC，一月最冷月平均气温2.9oC，七月最热月平均气温为20.7OC，极端最高所温38.5OC，极端最低气温-9.3OC，年降雨量2292毫米，相对湿度88%以上，无霜期195天，年雾日200天以上。保护区日照少，气温低，云雾降水多，空气湿度大，风速小，气候垂直变化大，具有典型的山地气候特征，区内使人感觉舒适的的时间全年达114天，舒适旅游期长达196天，最宜避暑度假。
2000年，湖南省农林勘察设计规划院对区内开展了自然资源综合考察，查明了自然保护区的“家底”：维管束植物共有215科，896属，2019种（其中种植物176科808属1804种）。植物资源为湖南省各自然保护区最丰富的地区之一。根据《中国珍稀濒危保护植物名录》（1987）和1999年8月4日国务院批准《国家重点保护野生植物名录》（第一批），本区共有国家重点保护野生植物74种，其中I级6种，即资源冷杉（Abiesbeshanzuensis）、银杏（Ginkgobiloba）、银杉（Cathayaargyrophylla）、南方红豆杉（Taxuswallichiana）、钟萼木（Bretschneiderasinensis）、莼菜（Braseniaschreberi）；II级68种，即福建柏（Fokieniahodginsii）、樟树（Cinnamomumcamphora）、闽楠（Phoebebournei）、花榈木（Ormosiahenryi）、厚朴（Magnoliaofficinalis）、凹叶厚朴（Magnoliaofficinalissubsp.biloba）、毛红椿（Toonaciliatavar.pubescens）、红椿（Toonaciliata）、喜树（Camptothecaacuminata）、香果树（Emmenopteryshenryi）、黄皮树（Phellodendronchinense）、榉树（Zelkovaschneideriana）、南方铁杉（Tsugachinensis）、穗花杉（Amentotaxusargotaenia）、黄连（Coptischinensis）、八角莲（Dysosmaversipellis）、杜仲（Eucommiaulmoides）、华榛（Coryluschinensis）、青檀（Pteroceltistatarinowii）、银鹊树（Tapisciasinensis）、银钟花（Halesiamacgregorii）、兰科（Orchidaceaespp.）所有45种、野大豆（Glycinesoja）、金荞麦（Fagopyrumdibotrys）。
区内植物区系表现为复杂、过渡与交汇的基本特征。桃源洞位于华东、华中、华南的交汇及过渡地带，与华南植物区系有着共同的渊源历史，尤其是受南岭区系植物的影响深刻，但华南植物区系成分亦占有相当比重，同时也受华东、华中和黔桂等植物区系成分的渗透、繁衍。植物区系起源古老，单型属和少型属丰富，保存有残遗种。由于保护区优越的地史条件和古地理背景，有利于第三纪古老植物的保存和繁衍，所以，区内植物古老、并在分类上孤立、形态上特殊的植物颇为丰富。如单型科中有银杏科、大血藤科、钟萼木科等；单型属和少型属（2-3种）植物更多，裸子植物中有银杉属、穗花杉属等，被子植物中青钱柳属、青檀属等。另外有资源冷杉（大院冷杉）、南方红豆杉、南方铁杉等残遗种，尤其是大院冷杉，它是以保护区的当地地名命名的树种，属于极度濒危物种，分布在保护区的香茹棚等地，总株数仅有1170株，最大的一株胸围350cm，树高26m，冠幅18.1m，树龄约200年。
保护区内脊椎动物种陆生脊椎动物共有212种，隶属4纲25目70科，其中两栖动物24种，爬行纲40种、鸟纲106种，哺乳动物42种，东洋界种类占了71.7%，动物地理区划属东洋界华中区东部丘陵平原区。区内动物区系具有典型性和过渡性特点。国家重点保护野生动物种类多、价值大。据调查，保护区现有国家重点保护野生动物29种，其中I级4种，II级25种。I级有云豹（Neofelisnebulosa）、金钱豹（Pantherapardus）、华南虎（Pantheratigrisamoyensis）、黄腹角雉（Tragopancaboti）；II级有藏酋猴（Macacathibetana）、穿山甲（Manispentadactyla）、水獭（Lutralutra）、大灵猫（Biverrazibetha）、青鼬（Martesflavigula）、小灵猫（Viverriculaindica）、金猫（Feliebiaoemmincki）、豺（Cuonalpinus）、獐（Hydropotesinermis）、水鹿（Cervusunicolor）、林麝（Moschusberezovskii）、苏门羚（Capricornissumatraensis）、凤头鹃隼（Auicedaleuphotes）、鸢（Milvuskorshun）、松雀鹰（Accipitervirgatus）、白鹇（Lophuranyctemera）、勺鸡（Pucrasiamacrolopha）、红腹锦鸡（Chrgsolophuspictus）、褐翅鸦鹃（Centropussinensis）等。保护区内还有19种野生动物被列入《濒危野生动植物种国际保护贸易公约》，其中I级有8种：水獭（Lutralutra）、金猫（Feliebiaoemmincki）、云豹（Neofelisnebulosa）、金钱豹（Pantherapardus）、华南虎（Pantheratigrisamoyensis）、苏门羚（Capricornissumatraensis）、黄腹角雉（Tragopancaboti）、大鲵（Andriasdavidianus）；II级有11种：穿山甲（Manispentadactyla）、豺（Cuonalpinus）、豹猫（Felisbengalenis）、凤头鹃隼（Auicedakeyogites）、鸢（Milvuskorshun）、松雀鹰（Accipitervirgatus）等。
桃源洞自然保护区同时风景资源丰富，规划为甲水、田心里、九曲水、平坑、横泥山、桃花溪等六大景区，有一级景点6个，二级景点12个，三级景点28个。整个桃源洞群峰漫舞，谷岭交错，且多为茂密的原始森林所覆盖，远望罗霄山脉，峰峦重叠，延绵起伏，空间层次异常丰富，轮廓优美的山体，姿态各异的水体，幽静的森林环区，神奇迷人的气象景观，奇险的深涧峡谷，恬静的田园风光相互渗透，紧密相连融合为一个完整的景观系统。
区内山高林密，峡谷幽深景物密集多变，常有山穷水尽之感，由于山势高峻，日照时数短，加之溪边森林植被丰富密集，光影多变，而“鸟鸣山更幽”则更加强了对神秘环区气候的渲染。在茫茫云海中，重叠起伏的山峦更加显得变幻莫测，似海浪中漂浮的仙山琼阁，更平添无限的神秘感。由于人烟稀少，境内的原始森林及其环境极少破坏，一切都保持着古朴原始的风味，满山的野花野果，春华秋实，花开花落，林木季相更迭，仪态万千，林下落叶枯枝，藤蔓缠绕。飞禽走兽出没其中，这一切都为天然不饰雕琢。且境内万阳河溪流两侧空气负离子含量均在1.3万个/立方厘米以上，比闹市区高125—1200倍以上，有利于身心健康。
桃源洞自然保护区的山坡度大，多深涧峡谷。有多处裸岩，石纹奇旎，斜皱有致，直如斧劈，千姿百态。山间小则往往一边岩石突，一边绝壁深漳，涧流咆哮奔腾，白浪飞溅，其声如雷。俯瞰令人头晕目眩，而那颤颤悠悠凌空深涧之上的独木桥，则更是奇险无比，行走其上，心惊胆战。只有走进群山之中，才能真正体会到桃源洞景观之丰富，变幻之神秘，“有凸有凹，有曲有深，有峻有悬，有平有坦，自成天然之趣，不烦人事之功。”就是她的真实写照。而群峰之中那幽深险峻的峡谷，则更是最令人神往的所在，两边均为险峰峭壁，谷底怪石险滩，往往峰回路转，景象异常，人置身于内，极生空间无限之感，令你流连忘返。
桃源洞的溪流纵横交错，水之出神入化，往往水湾急转，又是一番景象，多姿的水流则给之以生命和活力。“山得水而活，水因山更幽”，发源于区内的一百多条溪流山泉，在各种不同地形环境的约束之下，水流时而激越狂奔，时而平静娇羞；或从宽阔的河床缓缓流过，或由石隙中夺腔而出，在空间上对比变化丰富，节奏明显。
原始美丽的净土，幽深无垠的原始森林，流光溢彩的迷人山水在这里应有尽有，显现出大自然无穷魅力，原始神秘的神农谷是越野、登山、溯溪、露营、烧烤、等户外游戏活动为一体的体育活动理想场所，在这里能够满足人们返朴归真的渴求，不愧为休闲旅游，野外探险、避暑疗养的胜地。
桃源洞于1984年正式设立桃源洞自然保护区管理所，全面负责保护区内的原始森林及其生态系统，拯救濒于灭绝的物种。2002年7月国务院批准建立湖南炎陵桃源洞国家级自然保护区。2003年10月9日，经县编委批准，桃源洞管理局升格为正科级事业单位，现内设综合股、森保股、旅游开发中心，下辖桃源洞林场与桃源洞山庄。桃源洞自然保护区管理局现有办公楼建筑面积1000平方米，宿舍面积3300平方米，招待所1700平方米。保护区已开通程控电话、安装了-接收器，从炎陵县城到保护区45KM公路全部为柏油路面，并开发了甲水景区与田心里景区，区内建有宾馆两家，可同时容纳300人食宿。
桃源洞自然保护区自成立以来，每年都要接待各级领导、科学家、专家、大中专学校学生1万人左右来区考察、实习，接待游客5万余人。如1999年8月著名书画家杨振宇、2000年3月著名书画家李立、2000年4月著名诗、歌、影评论家李元洛、2001年8月中央-部副部长胡德平、2002年4月全国政协副主席毛致用、2002年5月教育部部长陈至立、副部长周远清、广州军区副司令员谭冬生分别到桃源洞参观考察与指导工作。与此同时，保护区还开展了一些基础性的简单研究与科技应用推广工作，如大院冷杉的生物学特性研究、气象观测等等，促进了保护区科研能力的提高。桃源洞已逐步形成以“保护为主、旅游为辅”的多功能、多效益的国家级自然保护区。