Khu BTTN Pù Luông được thành lập theo Quyết định số 495/QĐ-UBND, ngày 27 tháng 3 năm 1999 của Chủ tịch UBND tỉnh Thanh Hóa với diện tích 16.982 ha thuộc dãy núi đá vôi Pù Luông - Cúc Phương là khu vực núi thấp lớn duy nhất còn lại về sinh cảnh đá vôi ở miền Bắc Việt Nam. Địa hình Khu bảo tồn chia cắt mạnh, có nhiều đỉnh cao trên 1000m (cao nhất là đỉnh Pù Luông 1.700m), địa thế khu vực nghiêng dần từ Tây - Bắc sang Đông - Nam, độ dốc bình quân 300, khí hậu nhiệt đới gió mùa, chịu ảnh hưởng khía hậu của vùng Tây Bắc và ảnh hưởng sâu sắc của gió Lào, nhiệt độ trung bình năm 230C; lượng mưa bình quân năm 1.500 mm; khu vực đỉnh núi Pù Luông và khu vực Son, Bá, Mười có khí hậu rất lạnh với nhiều sương mù.
Rừng nguyên sinh tại khu bảo tồn thiên nhiên Pù Luông là loại rừng kín nhiệt đới thường xanh theo mùa. Năm loại kiểu phụ rừng chính tồn tại do kết quả của sự đa dạng độ cao và các tầng chất nền: rừng lá rộng đất thấp trên núi đá vôi (60-700 m), rừng lá rộng đất thấp trên các phiến thạch, sa thạch và đất sét (60 - 1.000 m), rừng lá rộng chân núi đá vôi (700 - 950 m), rừng lá kim chân núi đá vôi (700 - 850 m) và rừng lá rộng chân núi Bazan (1.000 - 1.650 m). Khu bảo tồn cũng tồn tại các thảm rừng thứ sinh như rừng tre nứa, cây bụi và đất nông nghiệp.
Khu bảo tồn có hệ động thực vật phong phú, đa dạng về số lượng và thành phần loài. Về thực vật đã thống kê được 1109 loài thuộc 152 họ, 477 chi. Về động vật hiện Khu BTTN Pù Luông có 602 loài động vật thuộc 130 họ, 31 bộ bao gồm 84 loài thú, 162 loài chim, 55 loài cá, 28 loài bò sát, 13 loài lưỡng cư, 158 loài bướm và 96 loài thân mềm chân bụng ở cạn (Gastropoda).
Khu BTTN Pù Luông có rất nhiều loài động thực vật quý hiếm có tên trong Sách đỏ Việt Nam (2007) và Sách đỏ thế giới (IUCN, 2010) như Thông Pà Cò (Pinus kwangtungensis), Thông đỏ bắc (Taxus chinensis), Báo gấm(Pardofelis nebulosa), Beo lửa (Catopuma temminckii), Gấu ngựa (Ursus thibetanus), Voọc mông trắng (Trachypithecus delacouri)…