Von besonderer Bedeutung sind die großen Bestände des Eichen-Ulmen-Eschen-Auenwaldes. Bemerkenswert ist, dass sich ein kleiner Restbestand vitaler Feldulmen erhalten konnte, während andernorts in Sachsen-Anhalt Altbäume dieser Art infolge des Ulmensterbens längst verschwunden sind. Gleichfalls ist das hohe Alter vieler Stieleichen hervorzuheben. In diesen Wäldern befinden sich einige der ältesten und mächtigsten Bäume der Elster-Luppe-Aue. Beeindruckend ist in jedem Frühjahr die Vielfalt an hier vorkommenden Geophyten, einschließlich der Massenvorkommen des Bärlauches.
Trockenere Bereiche der Wälder um Horburg und Dölkau gehören zum Eichen-Hainbuchen-Wald. Mit der Ausweisung des NSG wurden besonders wertvolle waldbestockte Bereiche im Landeswald gänzlich aus der forstwirtschaftlichen Nutzung genommen, um dort eine weitgehend ungestörte Waldentwicklung zuzulassen und beruhigte Rückzugsorte für zahlreiche auentypischen Tier- und Pflanzenarten zu sichern.

An verschiedenen Gewässern sind Weidengebüsche ausgebildet. Von Bedeutung ist der naturnahe Verlauf der Luppe, die im Gebiet noch frei mäandrieren kann. Allerdings ist der Durchfluss seit längerem auf die geringen, der Aue von Süden zufließenden Bäche beschränkt, weil das Luppewasser am Sperrbauwerk in Kleinliebenau (Sachsen) zur Weißen Elster umgeleitet wird.

Neben den Waldgesellschaften sind im NSG auch feuchte Hochstaudenfluren, magere, artenreiche und mit typischen Kopfbaumgruppen durchsetzte Flachlandmähwiesen sowie die Uferkomplexe stehender und fließender Gewässer wertvoll. Reste der ursprünglich weit verbreiteten und durch extensive Nutzung entstandenen Glatthafer- und Fuchsschwanzwiesen, Brenndolden-Rasenschmielen-Wiesen, Kohldistel- und Silau-Wiesen beherbergen noch heute eine Vielfalt an seltenen und gefährdeten Pflanzen. Charakteristische Vertreter der Auenwiesen sind die Färberscharte, der Teufelsabbiss, die Herbstzeitlose, die Knollen-Kratzdistel, die Sumpf-Platterbse und der Wiesenknöterich sowie salzholde Pflanzen wie der Erdbeer-Klee.

Das NSG ist Reproduktionsgebiet zahlreicher Brutvogelarten. Hierzu zählen u.a. Schwarz- und Rotmilan, Wespenbussard, Rohrweihe, Tüpfelsumpfhuhn, Eisvogel, Schwarzspecht und Neuntöter. Eine Besonderheit stellt das Vorkommen des Mittelspechtes dar, der wie kein anderer Vogel auf das Vorhandensein alter, teilweise absterbender Eichen angewiesen ist.
Auch andere Wirbeltiergruppen weisen eine Reihe bestandsgefährdeter Arten auf, die insbesondere auf den hohen Altholzanteil und eine hohe Lebensraumvielfalt angewiesen sind. Hierzu zählen baumhöhlenbewohnende Fledermausarten, z. B. das individuenreiche Vorkommen des Großen Abendseglers. Die enge Verzahnung des NSG mit dörflichen Strukturen wird durch die Existenz von Wochenstuben der Wasserfledermaus verdeutlicht. Nachweise von Hermelin, Mauswiesel und Feldhase unterstreichen den Wert des Auenkomplexes. Äußerst artenreich präsentiert sich auch die Kleinsäugerzönose mit bestandsbedrohten Arten wie Kleinäugiger Wühlmaus sowie Feld- und Zwergspitzmaus.
Die zahlreichen Gewässertypen beherbergen zahlreiche Amphibien. Aktuelle Nachweise existieren von Kammmolch, Knoblauch- und Wechselkröte, Moor- und Grasfrosch. Überregional bedeutend ist die Population des Laubfrosches.
Hinzu kommt eine artenreiche Molluskenfauna an den Stand- und Fließgewässern. Neben Riementeller-, Ohrschlamm- und Spitzer Sumpfdeckelschnecke treten beide Teichmuschelarten auf. Von besonderer Bedeutung sind die verbliebenen Vorkommen des inzwischen landesweit auf die Elster-Luppe-Aue beschränkten Eschen-Scheckenfalters.