保护区分为两个片区，第一片区是金童山，该片区的南部与南山牧场相连，北部与湖南城步两江峡谷国家级森林公园毗邻，金童山主峰最高海拔1784.1米。第二个片区是明竹老山片区，东与广西资源县交界，东北与湖南新宁县接壤，最高峰二宝顶海拔2018米。保护区的核心区及绝大部分缓冲区为国有林，境内保存着大面积天然次生林，其中6025公顷为常绿阔叶林、5800公顷为落叶阔叶林的或常绿落叶阔叶混交林。
湖南金童山国家级自然保护区的水平地带性土壤是红壤。保护区内的土壤先后经脱硅富铝化过程、黄化过程、生物累积过程和隐灰化过程，形成了4种主要的土壤类型：山地红壤、山地黄壤、山地黄棕壤、山地草甸土。优质的土壤孕育出珍惜的植物，森林中的精华如黄连、竹节人参、天麻等，本区野生资源较为丰富。林下大型真菌资源也是反映森林环境的重要指标，本区的大型真菌极为丰富。
湖南金童山自然保护区地处南亚至澳大利亚鸟类迁徙通道，在保护区三十六渡河的山脊等处，历史上曾是当地苗民最著名的“打鸟坳”，每年9月初至10月，由晴转阴特别是有绵绵细雨的晚上，当地村民爬至山脊，在山脊上燃起篝火，南迁的鸟类就会向篝火飞扑下来，村民挥舞竹枝扑打，数量惊人。现在这一传统陋习被有效制止了。另外，由于该保护区保存了大面积的中山阔叶林，湖南省的“省鸟”红嘴相思鸟在该保护区分布广，数量大，繁殖个体随处可见，形成了红嘴相思鸟的种群密集中心。因此，湖南金童山自然保护区是南亚-澳大利亚鸟类的重要迁徙通道和红嘴相思鸟的重要繁殖地，可谓鸟类的“天堂”，在东南亚鸟类分布和进化史上具有重要地位。
湖南金童山国家级自然保护区的主要保护对象为资源冷杉、南方红豆杉、伯乐树、华南五针松、闽楠、篦子三尖杉、半枫荷、黄连、天麻、水青树等野生资源。据调查记录，是湖南境内植物多样性程度最高的区域之一。
