向海保护区处于吉林省半干旱草原地带，属北温带大陆性季风气候。

气候的干燥度一般大于1.5，多数在3以上。气温的日较差、年较差均较大，年平均气温6.0℃；全区1月份气温最低，月平均气温-15.3℃，7月份气温最高，月平均气温24.1℃。极端最低气温-35.1℃，极端最高气温达41.6℃，≥10℃年积温2900-3091℃，年日照时数2750.5小时。年均降水量370.6毫米，多集中在7、8两个月份；且年内、年际变率较大，6-9月降水可占全年降水的70%以上。该区蒸发量较大, 年平均蒸发量在1881.8毫米，约是降水量的4-5倍，且年内、年际波动也非常显著。相对湿度58%。无霜期约为150天。风力资源丰富。全年盛行西南风，风级一般5-6级，最大可达11级。一般年均风速大于3米每秒，而且大风天数多，大风日数(8级以上)在20天以上。

区内无明显河库，只有在雨季水量丰富时才能形成季节性河流，有霍林河、额穆泰河，为嫩江支流。向海水库与黄鱼泡、大肚泡、兴隆水库等相通。水库湖区无污染，酸碱度7.6。浅水湖域水草丰富，水温度较高。最大湖水面7100公顷，最深处可达16米，正常蓄水湖面也有6650公顷，平均水深4米。到了冬季严寒季节，冰冻期较长，冰厚可达1-2米。地下水资源丰富，水质较好。

保护区内土壤主要为栗钙土、草甸土、盐碱土和风积沙土，土壤厚度一般在0.5－1.0米之间，土壤中腐殖质含量较少，含盐碱量偏高，PH值在7.5－8.5之间。

区内动植物资源十分丰富。我国动物地理区划中的东北区松辽平原亚区和蒙新区东部草原亚区的动植物资源在这里均有分布。区内有脊椎动物300多种，有《中日保护候鸟及其栖息环境协定》中的鸟类173种，占协定种类的76.21%，有《濒危野生动植物种国际贸易公约》中保护的鸟类49种。有国家保护的有益的或者有重要经济、科学研究价值的陆生野生动物235种。

我国植物地理区划中的泛北极植物区－欧亚草原植物亚区－蒙古草原地区－东北平原亚地区的植物广泛分布，尤以中温带半湿润草甸植被为主，形成了非常壮观的草甸草原景观。区内有野生植物595种，其中药用植物220多种。其中以蒙古黄榆为主的沙丘黄榆天然林，林相丰富，错落有致，是目前我国半干旱地区唯一集中成片生长的黄榆天然林群落。

保护区植被以芦苇群落为主，同时还伴有香蒲群落、沼柳群落、辣蓼群落、碱草群落、碱蓬群落、三棱草群落等。