大青沟自然保护区于1980年建立，1988年晋升为国家级自然保护区，位于通辽市科尔沁左翼后旗境内，科尔沁沙地东南缘。大青沟国家级自然保护区地质构造体系属西辽河沉降带。在长期复杂的地质运动下，由于地表径流与地下水潜流的交互作用在本区形成两大沟壑，即大、小青沟。沟宽200～300米，沟深40～50米，在保护区内全长24公里。沟上是高低不平的河丘草原地貌。

大青沟自然保护区划分为3个功能区，即核心区、缓冲区和实验区。核心区内包括3个主要被保护森林植被类型，即水曲柳林、蒙古栎林和大果榆疏林。核心区总面积1322.4公顷，占保护区总面积的16.2%。缓冲区位于核心区的外围，总面积2082.2公顷，占保护区总面积的25.4%。实验区位于缓冲区的外围，面积4778.4公顷，占保护区总面积的58.4%。

在保护区内有两种分布不同的植物区域，一种是沟上的沙丘草原和疏林地，伴生有榆树、五角枫、山杏、胡枝子、沙蓬、沙蒿类、莎草、唐松草等植物；另一种是沟内珍贵阔叶树种混交林，伴生有水曲柳、黄菠罗、椴树、愉树、柞树、五角枫、榛子、山葡萄、五味子等木本植物和沙参、党参、玉竹、黄精等草本植物。

由于具有保存完整的森林生态系统，多种动物在这里栖息繁衍。保护区内动禽种类较多，如啄木鸟、黑枕黄鹂、杜鹃、燕子、猫头鹰、伯劳、云雀、柳莺、苇莺、黄胸觋秃鹫、雕、鹰等。还有害鼠天敌狐狸、沙狐、黄鼬、山狸子、艾虎子。野生动禽还有狼、獾、貉、山兔、沙鸡、野鸡、灰鹤、刺猬等。大、小青沟的水资源也比较丰富，在小溪和塘坝里还有鲤鱼、鲫鱼、鲢鱼、鲶鱼、草鱼、嘎鱼等鱼类资源。

大青沟及大青沟地区原始完好的自然生态状况，是亿万年来地壳运动、气候变化、生态衍进、人类活动等因素共同作用的结果，是一笔十分宝贵的自然遗产。保护区这片原始的自然景观对研究中国北方古植被、古气候和动植物资源有着重要的历史意义和现实意义。