松花江三湖保护区位于吉林省的东南部，地处长白山西北麓，松花江中上游的源头区。行政区域横跨吉林市与白山市境内的5个县市区28个乡镇。保护区总面积1144710 hm2。
三湖保护区是吉林省人民政府于1990年2月批准建立的省级保护区，是一处以保护森林生态和水资源为主的综合性保护区。2009年9月，经国务院批准，在三湖保护区重点区域区划出115253.2公顷，晋升为国家级自然保护区。保护对象为松花江上游的水源涵养区森林生态系统和生物多样性。三湖国家级自然保护区划分为核心区、缓冲区和实验区。核心区面积为37686 hm2，占保护区总面积的32.7%；缓冲区面积为40263.7 hm2，占保护区总面积的34.9%；实验区面积37303.5 hm2，占保护区总面积的32.4%。
保护区地处欧亚大陆的东部，大地构造跨越中朝准台地和吉黑皱褶系两大构造单元。保护区南部以玄武岩台地为主，北部受第二松花江切割，两侧形成四条山脉，山脉之间，存在着许多剥蚀山地和丘陵，发育了许多宽大河谷。
保护区气候属北半球温带大陆性湿润季风气候。主要特点是四季分明。春季干燥多风，夏季温热多雨，秋季凉爽多晴，冬季漫长寒冷。年均降水量600～830mm。年平均气温1.9～4.4℃，无霜期92～130天。
保护区水系发达，拥有长度在20公里以上支流146条。主要河流包括第二松花江、头道松花江、二道松花江、辉发河等。保护区内有松花湖、红石湖、白山湖三大湖泊，均为人工湖。三个梯级人工湖总长约300 km，其中松花湖158.8 km，红石湖50 km，白山湖90 km。湖面正常水位面积72838 hm2 ，总有效库容为135.8亿m3，最大库容可达180.0亿m3，集水区年均径流量136.5亿m3，占吉林省地表水总量的38.2%。是三湖下游的吉林、长春、松原、哈尔滨、佳木斯等沿江10多个市县人民生活用水和工农业用水的重要水源地。同时，也是黄河以北地区淡水资源贮量最大，区位最好，可工程控制能力最强，可利用价值最高的水源基地。
本区的土壤类型分为暗棕壤、灰宗壤和白浆土、冲积土、沼泽土、泥炭土、草甸土、水稻土等8种类型。保护区生物地理位置独特，属长白山植物区系，保护区内最高海拔1404.8m，位于南楼山；最低190m位于丰满坝下。是物种丰富，珍稀濒危动植物集中分布的地段，它弥补了长白山保护区海拔500m以下区域动植物的空白。
自第三纪以来，受冰川影响较少，而且滑下式山地走向，有利于南北植物迁移，植物种类繁多，森林资源十分丰富。有林地面积81万hm2，活立木蓄积量1.1亿 m3 ，森林覆盖率达71%。主要有长白落叶松林群系；鱼鳞云杉、红皮云杉、臭冷杉、红松林群系；蒙古栎、红松林群系；枫桦、紫椴、红松林群系;紫椴、水曲柳、红松林群系;春榆、水曲柳、红松林群系;春榆、红松林群系;山杨林群系；白桦林群系;蒙古栎林群系;水曲柳、胡桃楸林群系;水曲柳、白桦林群系。
湿地植被有长白落叶松林沼泽群系；苔草—柳叶绣线菊沼泽群系；小叶章沼泽群系。
按照国际湿地公约的分类体系，松花江三湖自然保护区内的湿地共分为9大类型。其中天然湿地6个类型，人工湿地3个类型。天然湿地有永久性河流、湖泊、草本沼泽、泛滥地、灌丛沼泽和森林沼泽；人工湿地类型有鱼塘、水塘和蓄水区、水库。
据初步调查，区内有野生植物63目160科526属1489种。其中低等植物地衣1目17科27属57种；高等植物中苔藓植物11目24科35属50种、蕨类植物8目20科35属81种、裸子植物1目3科7属11种、被子植物42目96科422属1290种。列入国家重点保护野生植物名录第一批的有11种。其中，国家Ⅰ级重点保护野生植物1种，即东北红豆杉；国家Ⅱ级重点保护野生植物10种，它们是红松、水曲柳、黄檗、钻天柳、紫椴、刺五加、核桃楸、野大豆、莲、东北茶藨子。
保护区内野生动物资源丰富，分布有脊椎动物35目93科403种。其中水生脊椎动物7目15科74种；陆生脊椎动物28目78科329种。国家Ⅰ级保护动物有9种，分别为东方白鹳、金雕、白尾海雕、中华秋沙鸭、丹顶鹤、白鹤、白头鹤、紫貂和原麝。国家Ⅱ级保护动物有白鹭、蓑羽鹤、白枕鹤、鸳鸯、苍鹰、红隼、红角隼、黑熊、马鹿等44种。因此三湖保护区是我国东北长白山重要的野生动物种源基因库。
保护区是温带天然次生林保存最为完整的区域，是物种丰富，珍稀濒危动植物集中分布的地段，其森林生态系统在松花江的源头区涵养水源、降低洪峰高度、净化水质、调节气候、防止水土流失等方面发挥着巨大的生态功能。尤其作为供水水源，在保证其流域5千万人口的生产、生活、生态用水的安全方面起着重要的作用。
随着人口的增多，生产活动的扩大，区内保存的重要自然生态系统和野生生物物种受到严重威胁。森林生态系统与生物物种一旦被人们破坏，造成生态质量下降，生物多样性丧失便很难再恢复。更为严重的是将导致整个松花江流域的生态条件而改变，将严重影响经济社会可持续发展和区域范围内广大群众的生态环境。因此，区内的森林生态系统具有极高的保护价值。