保护区位于赤峰市克什克腾旗西北部， 距经棚镇西75公里， 东北临查干套海河， 西北与巴彦查干苏木相连 ， 东南部接白音敖包林场 ， 西部 、 西南部与达里诺尔草原相毗连 。 地理坐标是北纬43°30′-43°36′，东经43°30′-43°36′，东西宽7.5，南北长8.8公里，保护区总面积13862公顷，其中沙地云杉林面积为1947公顷。
地貌属沙丘高地平原地貌。地势南高北低，以南部的白音敖包山为最高点，海拔高度1498.8米， 向北逐渐降低，地形起伏不大， 绝大部分为东西走向的连续而不规则的垄固定沙带，少部分为半固定沙地及零星分布的新月形沙丘。平均海拔高度在1300-1500米左右。
气候属大陆性寒温带半干旱森林草原气候。年平均气温在-1.4°C左右，大于5°C的年积温在1942°C左右，年降水量在300-350毫米左右， 多集中在6-8月份，水热同期。 年蒸发量在1526毫米左右，为降水量的3.4倍。无霜期为78天。年日照数在2800小时左右。平均风速在3.8 米每秒， 冬季多西北风 ， 夏季多西南风。
土壤以沙土为主，在迎风坡的沙地云杉林下，为风积沙层上发育的薄层腐殖质的灰色森林土，此外， 还有沙质黑钙土、 沙栗土、 沙质草甸土等，土层薄、贫瘠、干旱、透水性强是本地区土壤的主要特征。
保护区内地下水位较低，分布的主要河流有贡格尔河和敖包河，其中，南部的敖包河在境内流经9公里，而北部的贡格尔河由保护区东北流入境内，将保护区分成为东西两部分，境内流经长度为14公里。
白音敖包自然保护区沙地云杉林 ，根据立地条件和植物组成， 划分4个类型， 既： 藓类苔草沙地云杉林、禾草杂类草沙地云杉林、杂类草白桦沙地云杉混交林和沿河沙地云杉林。 林木郁闭度在0.6-0.8时， 沙地云杉树高25-36米， 平均树高12米左右， 平均胸径22-36厘米， 平均树龄在80-120年， 最大树龄有400年左右，此外，还有沙地白桦林、山杨林和榆树林等。活力木总蓄积量是97339立方米。
白音敖包自然保护区的植物区系属于泛北级植物区、欧亚草原植物亚区、东蒙古亚地区范畴。 但由于本地区与大兴安岭、 冀北山地毗连，因此，在植物区系上具有过度性质，以蒙古草原植物为主，如有贝加尔针茅、大针茅、西伯利亚羽茅、线叶菊、羊草等。 还混有华北植物区系成分有虎榛子、元宝槭、知母等。兴安植物区系成分有兴安落叶松、沙地柏、耧斗叶绣线菊、红花鹿蹄草等。沙地云杉为我国特有树种， 是草原的旗帜种。
由它组成的沙地云杉林是世界上罕见的，被学术界称为“沙地云杉生物基因库”，对于研究植物变迁具有重大科研价值。 被当地的牧民称之为“沙地神树”、“草原上的绿宝石”。植物种类具有丰富的多样性，据不完全统计，有高等植物 68 科239属460余种，其中，单种科和寡种科占总科数的87.8%，维管束植物418种。
保护区位于我国森林-草原生态交错地带，生活在沙地、草原边缘地带的野生动物提供了较适应的栖息繁衍场所，同时， 也为迁徙性野生动物提供了良好的集散地和歇脚点，所以，形成了保护区较为复杂的野生动物种群，物种极其丰富。据初步调查， 保护区内已知鸟类有16目33科133余种，其中，国家一级保护鸟类 9 种，二级保护鸟类27种， 国际受协鸟17种 。 鸟类主要有 ： 黑鹳、大天鹅、大鸨、鸳鸯、秃鹫、猎隼、红隼、苍鹰、草原雕、白枕鹤、蓑羽鹤、等；兽类有7目17科68余种，其中，以食肉、啮齿偶蹄目为主，主要有：马鹿、猞猁、狍子、沙狐、豹猫、艾虎（两头乌）、黄鼬（黄鼠狼）等。