Заповедник включает две отличные друг от друга территории — на основном участке «Черные Земли» осуществляется охрана и восстановление популяции сайгака, а участок «Озеро Маныч-Гудило» является водно-болотным угодьем международного значения, здесь находятся гнездовья и зимовки многих редких видов водоплавающих и околоводных птиц.

Общая площадь заповедника — 121 900 га. Площади участков: «Чёрные земли» (степной) — 94 300 га, «Маныч-Гудило» (орнитологический) — 27 600 га. Охранная зона заповедника составляет 91 170 га.

Растительный покров заповедника представлен пустынными степями из ковыля-волосатика, полыней чёрной и Лерха, полынка, прутняка простертого, ромашника. Для песков в стадии зарастания характерны колосняк, верблюжья колючка, солянка калийная, полыни песчаная и веничная. Встречаются сообщества остепненных лугов, солончаки.
На островах Маныч-Гудило распространены степи с ковылем Лессинга, синузией эфемеров. Из редких растений в заповеднике «Черные земли» встречаются василёк Талиева, ковыли красивейший и Залесского, тюльпан Шренка.