Заповедник расположен в нескольких высотных поясах. Побережье Байкала окаймляется нешироким поясом байкальских террас (460-600 м н.у.м.), в котором преобладают лиственничные леса, встречаются участки кедрачей, сосняков, березняков, а местами – моховые болота и луга. Нижнюю и среднюю часть склонов хребта (600-1250 м н.у.м.) занимают горно-таежные леса. Верхнюю границу леса образуют парковые березняки, пихтачи и ельники подгольцового пояса с мощно развитым высокотравьем и кустарниковыми зарослями. Около 32 % территории заповедника занимает высокогорный гольцовый пояс. Большая часть гольцового пояса покрыта высокогорными альпийскими лугами, почти непроходимыми зарослями кедрового стланика и ерниками (кустарниковыми березняками и ивняками). Значительные площади занимают почти безжизненные скалы и голые каменистые россыпи.

В Баргузинском заповеднике найдено 212 видов лишайников, 147 видов мхов, более 1500 видов водорослей и свыше 880 видов сосудистых растений. Из эндемичных растений заповедника следует отметить астрагал трехгранноплодный, луговик Турчанинова, мятлик Смирнова, черепоплодник щетинистоватый. Весьма богаты редкими видами окрестности термальных источников. Из 214 видов растений, встречающихся вблизи теплых источников, 55 являются редкими для заповедника, а 30 встречаются только в районе термальных площадей.

Фауна Баргузинского заповедника типично таежная, но с некоторыми особенностями, вызванными горным рельефом и непосредственной близостью Байкала. Фауна включает 41 вид млекопитающих, 274 вида птиц, 6 видов рептилий, 3 вида амфибий, около 50 видов рыб и свыше 1200 выявленных видов насекомых.

Вследствие жестких природно-климатических условий численность большинства животных невысока и изменяется по естественным причинам. Ее подъемы и спады обусловлены в первую очередь изменением состояния кормовой базы, динамикой урожайности кедра, кедрового стланика и ягодников. Численность копытных лимитирует глубина снежного покрова и доступность кормов в зимний период. Здесь обычны бурый медведь, лось, северный олень. Благородного оленя и кабарги - немного. Для высокогорий характерны поселения черношапочных сурков. Этот вид внесен в Красную книгу России.

Орнитофауна заповедника включает 274 вида, в основном сибирские формы. Плотность населения птиц повсеместно невелика и в гнездовой период в лесном поясе редко превышает 200-300 особей на 1 кв. км. В субальпийском поясе в отдельных местообитаниях она может достигать 400-450 особей на 1 кв. км.

Велико значение заповедника в сохранении биоразнообразия региона: 2 вида птиц - орлан-белохвост и черный аист, гнездящиеся на охраняемой территории, включены в Международную Красную книгу (МСОП). В список редких и исчезающих видов растений и животных РФ внесены три вида лишайников, 5 видов цветковых растений, 16 видов птиц, 2 вида рыб и 2 вида насекомых, а в Красную книгу Бурятии - 6 видов лишайников, 38 видов цветковых растений, 6 видов млекопитающих, 49 видов птиц, 3 вида рептилий, 1 вид амфибий, 3 вида рыб и 2 вида насекомых.

Основа научных исследований в заповеднике была заложена экспедицией под руководством Г.Г. Доппельмаира в 1914-1915 гг. До 1938 года основное внимание уделялось изучению промысловых видов зверей, в первую очередь - баргузинского соболя. Разносторонние исследования природного комплекса заповедника были начаты в 1937 году. По результатам ежегодных наблюдений составляется Летопись природы, первый том которой был подготовлен за 1936-1940 гг. Сейчас выпущено 50 томов Летописи. Всего же по материалам научных исследований в заповеднике опубликовано свыше 450 научных работ.

За весь период существования Баргузинского заповедника на его территории работало в общей сложности около 50 научных сотрудников. Одиннадцать из них стали кандидатами наук, трое – докторами наук.

Основное место в научных исследованиях заповедника всегда принадлежало изучению баргузинского соболя. На первом этапе (1914-1934 гг.) были получены общие сведения о его экологии, промысле и сделаны попытки разведения в неволе. В последующий период (1935-1964 гг.) осуществлялся сбор материалов по изучению сезонного питания и распределения по местообитаниям, разрабатывались методы учета соболя на основе изучения его экологии, был обобщен материал по плодовитости и изучалось эмбриональное развитие соболя. В современный период (1964-1999 гг.) начаты исследования на популяционном уровне. Свыше 30 лет изучением биологии этого вида занимается Е. М. Черникин. Им широко практикуется метод массового индивидуального мечения соболей, который в комплексе с другими подходами позволяет проследить динамику численности и структуры популяции вида, оценить подвижность зверьков и дальность миграций (некоторые особи добывались на удалении до 300 км от границ заповедника), продолжительность жизни в природе. Всего помечено около 500 соболей, свыше 30% из них отлавливались повторно. Исследования Е.М. Черникина создали научную базу для организации долговременного мониторинга популяции баргузинского соболя.

Тематика научных работ заповедника достаточно разнообразна. Помимо экологии и биологии соболя освещены геоморфология и некоторые вопросы происхождения и развития Баргузинского хребта, дан очерк климата, произведено геоботаническое описание растительности, составлены геоботаническая и почвенные карты, подготовлен и периодически пополняется список сосудистых растений заповедника, проведена инвентаризация фауны наземных позвоночных животных, начато изучение фауны насекомых и беспозвоночных-гидробионтов, флоры лишайников, мхов, водорослей и грибов.

Современные научные исследования в заповеднике направлены, в первую очередь, на выполнение долговременных программ мониторинга состояния природных комплексов северо-восточного Прибайкалья. Помимо инвентаризации различных групп животных, растений и их сообществ большое внимание уделяется многолетнему контролю на постоянных участках и маршрутах: динамики численности млекопитающих, птиц, обитающих в напочвенном слое насекомых, учету урожайности ягодников, стационарным наблюдениям за сезонным развитием растений. За последние 5 лет в заповеднике выполнялись 10 научно-исследовательских тем, по 3-4 темы ежегодно.

Баргузинский заповедник имеет давние традиции сотрудничества с научно-исследовательскими организациями России. За последнее пятилетие заключены или пролонгированы договоры о творческом содружестве с 15 ВУЗами, академическими институтами и другими научными организациями страны. Эти связи по регионам распределены следующим образом:

Москва - 5, Иркутск - 5, Улан-Удэ - 3, Новосибирск - 1 и Томск - 1.

С 1982 года на территории заповедника действует станция фонового мониторинга, осуществляющая контроль за степенью загрязнения окружающей среды. Результаты анализа атмосферного воздуха, осадков, почв, вод, растительности позволяет судить о местных и глобальных процессах загрязнения экосистем. Начаты работы по мониторингу загрязнений с использованием биоиндикаторов (хищники, хвоя, лишайники). С сентября 1998 года работа станции временно приостановлена из-за отсутствия средств на ее содержание.