以水生野生动物为主要保护对象。保护区总面积1.11平方千米。属北温带大陆性季风气候区，冬夏温差较大，1月平均气温﹣5℃，极端最低气温﹣18℃；7月平均气温25.3℃，极端最高气温38℃。年均降水量667毫米，6～9月份雨量集中，占全年降水量的70%～90%。无霜期216天。怀沙河、怀九河均为怀柔水库上游河流。怀沙河发源于沙峪乡的南苇滩、北苇滩，全长28.7千米，流域面积175.2平方千米。流经核心区15千米，平均河宽31.6米；流经缓冲区5000米，河宽31.6米。怀九河发源于延庆县大庄科乡，全长68.9千米，流域面积347.2平方千米。流经核心区20千米，平均河宽24米；流经缓冲区5000米，平均河宽24米。怀沙河、怀九河下游入库口植被以水生植物和耐水植物为主。保护区内共有鱼类24种，两栖类4种，鸟类26种，蛇鼠类17种，兽类12种。其中国家Ⅱ级重点保护动物有大鲵；北京市稀有水生野生动物有中华九刺鱼和圆尾平鱼等。保护区以水源保护为中心，构筑“生态修复、生态治理、生态保护”3道防线，完成了怀沙河、怀九河生态治河工程，两河流域地表水质量始终达标国家饮用水Ⅱ级标准。