Khu bảo tồn thiên nhiên Xuân Liên được giao quản lý với diện tích 23.816,23 ha rừng đặc dụng và 912,37 ha rừng sản xuất, cách Thành phố Thanh Hoá 65 km, là khu vực chuyển tiếp giữa 2 vùng sinh thái Tây Bắc và Bắc Trung bộ nên có tính đa dạng sinh học rất cao, trong đó có trên 5.000 ha rừng nguyên sinh với nhiều loài thực vật quý hiếm cổ thụ hàng ngàn năm tuổi cần được bảo vệ và bảo tồn phát triển nguồn gen, điển hình có 2 quần thể loài là Pơ mu và Sa Mu được công nhận là cây Di sản Việt Nam. Rừng đặc dụng Xuân Liên hiện ghi nhận 1.228 loài thực vật bậc cao, có 56 loài thực vật quý hiếm. Khu hệ động vật đã ghi nhận tổng số 1.811 loài động vật hoang dã, có 94 loài động vật quý hiếm. Các loài động thực vật quý hiếm đều thuộc các danh mục như sách đỏ Việt Nam 2007, danh lục IUCN, NĐ 84/2021/NĐ-CP và Cites. Điển hình như loài Pơ mu, Sa mộc dầu, Vù hương, Sến mật, lan Hài lông, lan Hài vân bắc, đặc biệt xác định quần thể loài Vượn đen má trắng với 62 đàn/200 cá thể được xác định là khu vực có phân bố lớn, quan trọng nhất Việt Nam hiện nay (thông tin được đăng trên Tạp chí Khám phá Discover Magazine, năm 2020), loài Voọc Xám với trên 224 cá thể, các loài khỉ, loài Culi... xác định sự tồn tại của loài “Mang Roosevelt” được coi là tuyệt chủng trên thế giới từ năm 1929 chính là loài mang Pù hoạt (thông tin được đăng trên tạp chí Springer Conservation Genet 2014 15:993–999). Rừng Xuân Liên còn có vai trò dặc biệt quan trọng cho phòng hộ đầu nguồn thủy lợi - thủy điện Cửa Đạt , cung cấp nước sinh hoạt cho Thành phố Thanh hóa và nước tưới cho trên 86.000ha lúa nước và phục vụ công nghiệp cho vùng hạ du của Tỉnh.