Заповедник расположен в Аральском районе Кызылординской области Казахстана.

Территория заповедника состоит из двух кластерных участков — «Барсакельмес» и «Каскакулан». Участок «Барсакельмес» включает в себя прежнюю территорию заповедника (16 975 га) и осушенное дно моря, общая площадь 50 884 га (из них заповедное ядро — 37 725 га, буферная зона — 13 159 га). Участок «Каскакулан» занимает 109 942 га (заповедное ядро — 68 154 га, буферная зона — 41 788 га).

Барсакельмесский заповедник — единственный в Казахстане и один из нескольких в СНГ заповедников с экстремальными экологическими условиями, находящийся в зоне экологической катастрофы глобального масштаба (снижение уровня Аральского моря), (на Украине — Чернобыльский радиационно-экологический биосферный заповедник, а в Белоруссии — Полесский государственный радиационно-экологический заповедник). Это уникальная «природная лаборатория» для изучения процессов аридизации климата, опустынивания природных комплексов, перестройки состава и структуры экосистем, арена видообразования, формирования рельефа, ландшафтов, биоразнообразия. Все это имеет важное значение для понимания процессов эволюции и адаптации биоты к катастрофически изменяющимся факторам природной среды.

Флора сосудистых растений заповедника включает 278 видов, в том числе эндемичные казахстанские виды: полынь (аральская и прутьевидная), лебеда Пратова, жузгуны (курчеватый, приземистый, Талибина), тюльпан Борщова. На песках выделены 15 типов растительных комплексов. Здесь более распространена древесно-кустарниковая растительность. Встречаются участки довольно плотных зарослей саксаулов (черного и белого), тамариксов, джузгунов, курчавки, лиция. По понижениям распространены солончаки с солоно-колосником, сарсазаном, солеросом, солянками. Всего на острове зарегистрировано 257 видов цветковых растений, из них травянистых форм 204 вида, деревьев —3, кустарников — 20, кустарничков — 5, полукустарников —6, полукустарничков —12 и интродуцентов – 7 видов.  Около половины видов флоры Барсакельмесского заповедника приходится на эфемеры и эфемероиды.

Весна на острове красочная — цветут тюльпаны, дымянка, хохлатка, адонис («уголек в огне»), герань, биберштейния и др. Очень своеобразно выглядят соплодия леонтицы сомнительной. Много бывает ревеня татарского. К середине июня пустыня приобретает однообразную серую окраску.

На территории заповедника обитают редкие, занесенные в Красную книгу виды животных. Это представители орнитофауны: кудрявый пеликан, белоглазый нырок, мраморный чирок, малая белая цапля, лебедь-кликун, малый лебедь, савка, змееяд, степной орёл, могильник, беркут, джек, кречетка, чернобрюхий рябок, белобрюхий рябок, саджа, бурый голубь, филин. Из млекопитающих к редким и исчезающим видам относятся джейран, туркменский кулан, сайгак, перевязка, редкий карликовый тушканчик, барханный кот, ушастый ёж. На участке Каскакулан в настоящее время находятся основные популяции кулана и джейрана, благодаря наличию источников питьевой воды.

Высока представительность беспозвоночных, только насекомых насчитывается 2 тысячи видов из 12 отрядов. Беспозвоночные животные Барсакельмеса слабо изучены. Наиболее представлена группа видов, связанная с черным саксаулом: среди них много галлообразующих, в том числе галлицы стефвниоля и гистоблошки кайлярдия. Фауна заповедника насчитывает 107 видов пауков, относящихся к 61 роду из 18 семейств. 

В гнездовое время из редких видов встречается степной кулик кречетка и утка савка. Савки в значительном числе останавливаются на осеннем пролете - 17-19 сентября 2005 г. на двух озерах зарегистрировано 50 особей – более 1% мировой популяции.