山西灵空山国家级自然保护区位于山西省中南部，沁源县西南部与古县、霍州市交界处的太岳山脉中段深山腹地，西靠主脉霍山，北接绵山，南近黄梁山，东临沁洪公路。保护区行政区划隶属于沁源县灵空山镇、韩洪乡和古县北平镇。地处东经111°59′27″——112°07′48″，北纬36°33′28″——36°42′52″，四至界限具体为东至高疙瘩——康家洼——五龙池——前老庄子大梁一带，南至古县党家山——大野——马莲滩一带，西至马莲滩——第一川——黑峪大梁一带，北至石板店——安家庄大梁一带。保护区南北长17km,东西宽12.5km,总面积10116.8hm2。

灵空山自然保护区境内山岩地质主要为奥陶系白云岩、石灰岩夹页岩、石灰岩、白云质灰岩、泥灰岩和寒武系石灰岩、白云岩、页岩、砂岩的并层，少量太古界变质杂岩。地貌属于大起伏喀斯特侵蚀中山地貌，由于地质构造运动强烈，地壳发生变异，大面积基岩裸露，沟谷切割较深。灵空山山中心三条沟壑交汇，形成一片奇险的深谷。整个地势东、北、西三面高，南面低，呈簸箕形。境内海拔高度在1356m~2056m之间，平均海拔高度约为1600m，最高山峰海拔为2056m。

灵空山自然保护区境内山岩地质主要为奥陶系白云岩、石灰岩夹页岩、石灰岩、白云质灰岩、泥灰岩和寒武系石灰岩、白云岩、页岩、砂岩的并层，少量太古界变质杂岩。地貌属于大起伏喀斯特侵蚀中山地貌，由于地质构造运动强烈，地壳发生变异，大面积基岩裸露，沟谷切割较深。灵空山山中心三条沟壑交汇，形成一片奇险的深谷。整个地势东、北、西三面高，南面低，呈簸箕形。境内海拔高度在1356m~2056m之间，平均海拔高度约为1600m，最高山峰海拔为2056m。

保护区的水系属黄河水系，是黄河一级支流沁河的水源涵养区。黄河一级支流沁河(山西省内仅次于汾河的第二大河流)发源于沁源县境内，经沁源、阳城等县进入河南境内，在河南沁阳接纳丹河后转向正东，在武陟附近汇入黄河，全长450km，流域面积1.35万km2。发源于保护区境内（灵空山镇北部黑峪村黑峪沟）的季节河叫“龙头河”，又称柏子河、中峪河，是沁河的一级支流，流域东西长12.6km，南北46.2km，西北东南流向，总面积268km2。河流起源于灵空山镇北部黑峪村黑峪沟，流经灵空山镇北山村、西吴村、杆子坪村、柏子村、水泉坪村等，在龙头村东从沁河右岸归入沁河，属山区泉溪性水流，呈树枝状河系。流域年平均降水量686.5mm，年际变化幅度大，年蒸发量1546.2mm，蒸发量大于降水量，柏子河年径流主要为洪水径流。

保护区地下水在山西省地下水富水性分区中属贫水区，单井出水量3~10m3/h，泉水流量0.1~1.0 L/s。地下水类型属碎屑岩类裂隙水(SL)，其形成、分布与地质构造和水文地质条件密切相关。灵空山自然保护区地质构造复杂，水文地质条件多样，地下水和地表水有着密切而复杂的相互补给关系。

灵空山自然保护区内土壤为石灰岩、白云岩等母岩上发育而成的山地褐土、山地淋溶褐土和山地棕壤，区内土壤类型共分为山地草甸土、山地棕壤、褐土、潮土、新积土、粗骨土、石质土7个土类，8个亚类，14个土属，33个土种。

海拔2000m以上的山顶平台、缓坡处分布着山地草甸土，该土全部为自然土壤，下限与棕壤、淋溶褐土等衔接；海拔1700m~2056m的中山区分布着棕壤，其上限与山地草甸土接壤，下限与褐土中的淋溶褐土亚类衔接，有时亦与之呈复域存在，其所处地区地形坡度较大；海拔1380m~2000m的山地、丘陵、沟谷分布着褐土，从垂直地带上讲，保护区内褐土可分为山地淋溶褐土、山地褐土两个亚类。其中，山地淋溶褐土主要分布在海拔1356m~2000m的林冠下，一般上接棕壤或复域分布，下为山地褐土，该类型土壤占全区的62.3%，土体中进行着比较强烈的淋溶脱钙和淋溶黏化淀积化过程，属中厚土层，土壤呈中性，pH值6.7~7.5；山地褐土主要分布在1356m~1600m的中山地带，多分布于淋溶褐土之下，或是复域分布，土体中有较明显的黏化层和钙积层，表层石灰反应或弱反应，pH呈中性或微碱性。

保护区植被类型多种多样，根据《山西植被》的自然植被分类系统将灵空山自然保护区划分为6个植被型组，6个植被型，8个植被亚型，27个群系。主要有针叶林、针阔叶混交林、阔叶林、灌丛等植被型组。随着气温和雨量的变化，植被呈明显的垂直分布。主要植被类型的垂直分布规律为：海拔1350m~1500m为落叶阔叶灌丛、灌草丛及草丛带，主要有沙棘灌丛，土庄绣线菊灌丛，黄刺玫灌丛，荆条、酸枣、白羊草灌草丛，蒿类草丛等；海拔1500m~1800m为落叶阔叶林及针阔叶混交林带，主要植被类型为落叶阔叶林(如山地落叶阔叶杂木林、山地杨桦林)和针阔叶混交林，有油松林，辽东栎林，鹅耳枥、槭、漆杂木林，山杨林，白桦林；海拔1800m~2056m为针叶林带，主要植被类型为针叶林，如华北落叶松林等。

根据科考调查结果及统计表明，保护区内共有种子植物95科407属816种，占山西省种子植物的63.8%，47.5%，35.6%，其中，裸子植物2科3属5种，分别占山西省裸子植物的28.6%，23.1%，20.0%；被子植物93科404属811种，占山西省被子植物的65.5%，47.9%，35.8%。共有孢子植物2门21科33属47种，其中苔藓7科14属15种；蕨类植物14科19属32种。