陕西桑园自然保护区是2002年8月经陕西省人民政府批准成立的省级自然保护区，后于2009年9月晋升为国家级自然保护区。
陕西桑园国家级自然保护区位于秦岭中段南坡，汉中市留坝县境内，地跨桑园坝乡和江口镇两个乡镇，地理坐标介于东经107º05'~107º21'，北纬33º39'~33º50'，东与太白县的牛尾河省级自然保护区接壤，西与留坝县桑园坝乡的范条峪村、小川子村以及江口镇的元树村、铁矿村交界，北与太白县的二郎坝乡毗邻，东南与汉西摩天岭省级自然保护区和洋县华阳镇相连。
陕西桑园国家级自然保护区所在的留坝县在大地构造位置上，地处秦岭初皱系。以马道东西向断裂为界，横跨两个二级构造单元，北属秦岭印支初皱带，南跨华力西初皱带。印支初皱带在境内居主体，细分为三个三级构造单元，由北至南依次是：玉皇山—桑园坝初皱束；紫柏山—摩天岭初皱束；闸口石—铁佛殿初皱束。它们是在晚远古代地台的基础上演化而来的渐变地槽初皱带，具有多旋回发展特点，曾经历了加里东、华力西及印支三个旋回，且由南至北，由老至新，逐步演化发展。加里东旋回由碳硅质、碳酸盐岩、泥碎屑岩组成，寒武纪发育具一定的中酸性火山活动。马道以北的广大地区，加里东运动使之一度隆起，致使奥陶纪沉积缺失。随后发育的华力西、印支旋回，以泥盆—三迭纪泥碎屑岩、碳酸盐岩沉积为主，三迭纪的印支运动不仅形成了秦岭印支初皱带，同时结束了秦岭地槽系的生命，形成了一些线状初皱和不同类型、不同规模的断裂，并伴有强烈的酸性岩浆归入活动和区域变质作用。侏罗纪以来，在整体上升背景下，形成了小规模的中、新生代断陷盆地。侏罗纪以碎屑、泥质、含煤沉积建造为特征。
留坝县境内群峰环绕，沟壑纵横。由于秦岭山地抬升的主轴偏北分布，故整个地势北高南低。最高海拔2610.2m（紫柏山主峰），最低海拔585m（青桥驿蔡家坡谷底）。紫柏山横亘县境西北部，其东段与县境西部的光华山、光头山、桥顶石梁、高佛岩等山地连成南北向的岭脊；东部的摩天岭、转角楼、桅杆石和香炉山连成东北与西南走向的分水岭；北部有玉皇山、三花石梁等高峰为屏障。全县地貌，西、北、东三面山岭环抱，中、南地势较低，形如簸箕。褒河自北而南纵贯东、西两岭之间，除闸口石为黑河水系外，其余均为褒河水系。南部山岭陡峭，河谷深切，多为“V”形谷，沟地狭窄；北部褒河支流沿线河谷切割较浅，山势开阔，多为“U”形谷，沟地较宽，形成串珠状的坝。因此，按照地貌特点，全县可分为西北部高山区、中部中山区、南部中低山区。
桑园自然保护区位于留坝县东北部，按照以上地貌分区，属于中部中山区，山峦重叠，岭谷交错，河谷切割较浅，谷地较宽。保护区东北部、东部、东南部有乌木梁、团包梁、五木梁、摩天岭等主要山峰连贯形成三面环状的岭脊，因此保护区整个地势呈外高内低的“新月”形。山体中上部的地形比较平缓，下部较为陡峭，部分地段为岩崖，沟地比较平缓，形成串珠状的小坪、川坝。
陕西桑园国家级自然保护区地处北亚热带山地暖温带湿润季风气候区，气候特点是：冬长夏短，春秋近半，降温快于升温，冬冷夏凉，日照时间短，气候温凉湿润，垂直差异明显。
根据留坝县的土壤调查资料，陕西桑园国家级自然保护区的土壤共有2个土类、6个亚类、19个土属。
陕西桑园国家级自然保护区的水系主要属褒河上游太白河的上源河段及支流，流域面积约12289hm2，占保护区总面积的89.0%。保护区松坪子区域的地表径流都汇入黑峡子河，经太白县的牛尾河省级自然保护区，汇入湑水河。这是桑园自然保护区中一块属参考资料于湑水河水系的区域，流域面积约1517hm2，占保护区总面积的11.0%。
陕西桑园国家级自然保护区的水系分布呈树枝形。其中峪长沟、梨子坝、范条峪三条沟谷的河水汇流成桑园坝河，全长19km，流域面积120.9km2，河流平均比降31.1‰，在桑园坝乡政府驻地流入太白河。小川子、元树沟、铁矿沟三条沟谷的河水分别汇入桑园坝至江口段的太白河。
太白河发源于太白县，入留坝县桑园坝乡石场沟，并有桑园坝河汇入，途径江口镇，在留坝县境内全长22.5km，流域面积377.5km2。
褒河古称黑龙江，发源于秦岭南坡，流经凤县、太白、留坝、汉台3县1区，注入汉江。
陕西桑园国家级自然保护区总面积13806公顷，其中国有林9342公顷，占保护区总面积的67.7%，集体林4464公顷，占保护区总面积的32.3%。功能区划：核心区为8796.02公顷，占保护区总面积的63.71%；缓冲区为2620．65公顷，占保护区总面积的18.98%；实验区为2389.33公顷，占保护区总面积的17.31%。
陕西桑园国家级自然保护区是以大熊猫及其栖息地为主要保护对象的野生动物类型自然保护区。
截止到2008年，通过科学考察表明，保护区有高等维管束植物1099种，野生脊椎动物249种，大型真菌68种，昆虫1353种。在这些众多的物种中，有红豆杉、秦岭冷杉、连香树、水青树、水曲柳等国家一、二级珍稀保护植物9种。在保护区的主峰摩天岭分布有近2000公顷面积的秦岭冷杉群，其规模在整个秦岭地区较为罕见。
除植物资源外，保护区的野生动物资源也非常丰富，截止到2008年，有国家一级保护野生动物6种：如大熊猫、金丝猴、羚牛、林麝等；二级保护野生动物24种：如黑熊、大鲵、大鵟、鬣羚、斑羚等。保护区主要范围为大熊猫的适宜栖息地，面积为11508公顷，占保护区总面积的83.4%。除动植物资源外，保护区内还有摩天岭、奎心楼、红花嶒瀑布等以高、寒、奇、险为特色的天然旅游景观资源。
陕西桑园国家级自然保护区管理机构为陕西桑园自然保护区管理局。机关设保护区综合办公室，财务室，基层设有桑园中心站、上两河口保护站，财神庙保护站，梨子坝保护站、小川子保护站、下田湾保护站。
1984年，在陕西桑园国家级自然保护区的砖头坝附近救护了大熊猫“留留”，这是第一次明确证实保护区有大熊猫分布。陕西省林业厅1986年组织的全省大熊猫调查结果显示，保护区所在地有大熊猫2只。1999~2003年的全国第三次大熊猫调查结果显示，保护区所在地有大熊猫7只，大熊猫栖息地面积约11508hm2，占保护区总面积的83.4%。2005年陕西省又在凤县靠近留坝县的紫柏山一带发现大熊猫新的分布区。
陕西桑园国家级自然保护区是秦岭中段大熊猫种群向西扩散的必经之地，是实现秦岭中、西段大熊猫居群有效连接的重要希望所在，加强该保护区的保护管理意义重大。陕西桑园国家级自然保护区地处汉江支流褒河和湑水河的上游，在涵养水源、保持水土、防风固沙、净化空气、改善区域环境质量等方面都发挥着十分重要的作用。
