为系统性保护大青山生态环境，国务院2008年批准建立大青山国家级自然保护区，总面积38.89万公顷，是我国北方面积最大的森林生态系统类型自然保护区。
大青山保护区位于内蒙古中西部呼和浩特、包头、乌兰察布市辖区的阴山山地，西起包头市昆都仑河，东至乌兰察布市卓资县头道北山山脊，东西长度约217公里，南北平均宽度约18公里。保护区涉及呼和浩特市、包头市、乌兰察布市等3个市的11个旗县区。2020年重新勘界后，保护区核心区面积为10.95万公顷，占28.16%；缓冲区面积为8.1万公顷，占20.83%；实验区面积为19.84万公顷，占51.01%。
大青山是一个断层山地，山地南北的地貌形态非常不对称，南坡陡峭，以巨大的正断面与黄河平原截然分开，承受东南海洋季风的影响；北坡较平缓，与蒙古高原之间没有明显分界，直接承受和阻挡着西伯利亚寒流和蒙古高原风沙南侵，成为河套平原、华北平原及首都北京的天然屏障。大青山地处中温带，属典型的温带大陆性气候，平均海拔1850米、最高峰海拔2338米，年均气温3℃～5℃，年均降水320毫米～450毫米。区域有黄河一级支流四条，分别为昆都仑河、留宝窑子沟、五当沟和大黑河；有哈拉沁水库、红领巾水库、五一水库共3个水库，兼顾了防洪、灌溉、城市供水、休闲旅游等综合功能，在农业、工业、经济等方面均具有服务功能。
大青山是阴山山脉生物及生态系统多样性表现最为丰富的区域，经调查共有高等植物147科520属1189种，其中苔藓植物45科98属210种、石松类和蕨类12科14属30种、裸子植物3科5属11种、被子植物87科403属938种。记录到脊椎动物303种，隶属于5纲31目79科199属。保护区内有国家重点一级保护野生植物发菜、二级保护野生植物蒙古丽蘑、沙芦草、毛披碱草、紫芒披碱草、阿拉善鹅观草、蒙古扁桃、甘草、斑花杓兰、大花杓兰、山西杓兰、手掌参共11种；自治区建议重点保护植物35种；大青山分布的特有种有阴山棘豆、大青山沙参、大青山黄芪、阴山马先蒿、二裂沙参、粗糙鹅观草、九峰山鹅观草、棕花杓兰共8种；分布的阴山特有种有阴山苔草、紫芒披碱草、阴山毛茛、红纹腺鳞草、蒙菊等。保护区国家重点保护野生动物有62种，其中一级14种（包括鸟类9种、哺乳类4种），二级48种（包括鸟类40种，哺乳类8种）。国家一级保护哺乳动物有梅花鹿、麋鹿、蒙原羚、野马4种；国家一级重点保护鸟类有大鸨、黑鹳、胡兀鹫、秃鹫、乌雕、草原雕、金雕、猎隼、黄胸鹀等9种。
2007年，经原内蒙古自治区编办批准，成立内蒙古大青山自然保护区管理局，为原自治区林业厅所属机构。2020年机构改革后，将保护区管理局、分局、管理站及其国有林场相关职能和人员编制整合，重新组建内蒙古自治区大青山国家级自然保护区管理局，为自治区林草局所属副厅级参公事业单位，承担大青山国家级自然保护区自然资源、自然环境保护管理和生态修复等工作。内设党群工作处、办公室、人事教育处、资源保护处、经营管理处、科研监测处、生态修复处、执法监督处等8个正处级内设机构，核定编制66名，现有在编人员49人。下设呼和浩特、包头、乌兰察布3个分局及乌素图、回民区、五当召等17个管理站，保护区共核定编制598个，现有在编职工535人。
加强自然资源本底调查，编制完成了《内蒙古大青山国家级自然保护区综合科考集》。制订生态监测方案，布设植物群落监测永久固定样地105个、自动气象站13个、红外相机200多部，经监测调查发现中国新纪录动物5种，保护区新纪录动物163种、植物152种。加强濒危动物保护，联合中国野生动物保护协会等5家单位将12匹普氏野马和27头麋鹿放归保护区并已陆续产崽，标志着我国首次在蒙古高原南缘的华北区与蒙新区过渡带建立野生野马和麋鹿种群取得阶段性成功。组织实施了“珍稀濒危物种野外救护与繁育项目”“蒙古扁桃野外救护与繁育项目”，联合内蒙古大学开展了“阴山山脉生物多样性保护及其植被更新复壮研究”。2020年以来相继完成对麋鹿和野马种群扩散与放归项目监测、野生动物多样性调查与监测、植物多样性本地调查和放牧对保护区级生态服务功能的影响监测与评估、水质监测、土壤资源监测、野生动物疫源疫病监测中心建设等项目。为保护区保护管理工作提供了科学依据。加快推进信息化建设，保护区信息化管理平台、智绘自然巡护APP上线试运行。加大自然宣教力度，2020年以来建设自然宣教室一处、自然教育基地三处，年均受益6000人次。连续开展两年“我们的大青山”活动，征集到摄影、短视频、文学作品5000余个。保护区网站、微信公众号先后投入使用，主动对接各类媒体，两年来保护区信息在网络平台等点击阅读4000多万人次。
