陆性季风气候。因山岭重叠，溪谷纵横，相对高差大，气候变化较大，山地气候明显。与同纬度的平原相比，具有冬无严寒、夏无酷暑、云多雾大，日照较少，雨量较小等特征。由于区内各地海拔差异，高低山间气候明显区别。低山四季歌分明，冬暖夏热，无霜期长。高山迟春秋早，湿润多雨，冬长夏短。区内降水充沛，雨热同季，暴雨甚多。年降雨量达1300毫米以上。5~9月间的降水量，占全年的71%，年内季节分配不均匀。区内地形复杂，制约着光、热、水的再分配。

四、水文水系

　　本区地势中部高，四周低，河流分布呈典型的放射状水系，从中部顺着地质构成线和山势分向四面八方流出。这个水系大致分为：由东流入长江的清江水系，分别由东南、西南流入乌江的毛坝河、郁江的乌江水系。向溪流入长江的石柱河、向西北和东北流入长江的建南河、磨刀溪和梅子水的长江水系。流域总面积4600平方公里，多年平均径流深802毫米，多年平均径流总量37.02亿立方米。

五、土壤

　　保护区内土壤随海拔高度不同而土壤类型有别。其基本规律是从低到高垂直分布为黄壤——黄棕壤——棕壤。在海拔800米以下为黄壤，800~1500米为黄棕壤，黄棕壤与棕壤的分界线在海拔1500米左右。紫色土壤分布在400~1550米，石灰土分布海拔480~1220米。水稻土壤主要分布在 316~1500米的低山和二高山，一般从谷底到山顶依次出现潮土和水稻土。
　　根据全国第二次土壤普查，全区土地土壤共分7个土类，47个土属数，236个土种数。7个土类分别为黄壤，黄棕壤、棕壤，紫色土、潮土，石灰土、水稻土。其中黄壤亚类数1，土属数3，土种数40；黄棕壤亚类数2，土属数3，土种数12；潮土亚类数3，土属数3，土种数4；石灰土亚类数2，土属数2，土种数4；水稻土亚类数5，土属数27。土种数143。

六、植物资源

　　植物区系
　　保护区共计有维管束植物200科、843属、2033种，分别占湖北总科数的86.31%，总属数的58.13%，总种数的33.54%，分别占全国总科数的58.92%，总属数的26.56%，总种数的7.30%。其中蕨类植物30科，59属，132种，占湖北蕨类植物总科数的71. 4%、总属数的56.7%、总种数的32.8%；裸子植物8科，22属，28种，占湖北裸子植物总科数的88.9%、总属数的71.0%、总种数的 28.0%；被子植物162科，762属，1873种，占湖北被子植物总科数的84.4%、总属数的57.6%、总种数的33.7%。占湖北省种子植物总数的33.54%，全国种子植物总种数的6.63%。
　　保护区维管束植物有国家保护野生植物共33种，其中一级保护植物8种，即银杏（Ginkgo biloba）、红豆杉（Taxus chinensis）、南方红豆杉（Taxus chinensis var.mairei）、水杉（Metasequoia glyptostroboides）、伯乐树（Bretschneidera sinensis）、莼菜（Brasenia schreberi）、珙桐（DAVIDia involucrata）、光叶珙桐（DAVIDia involucrata var.vilmoriniana），其中水杉为世界上仅有的原始种群分布区。二级保护植物25种，即金毛狗（Cibotiun barometz）、蓖子三尖杉（Cephalotaxus oliveri）、大果青杄（Piceaneoveitchii）、金钱松（Pseudolarix amabilis）、黄杉（Pseudotsuga sinensis）、榧树（Torreya grandis）、野大豆 (Glycine soja)、台湾杉（Taiwania flousiana）、连香树（Gercidiphyllum japonicum）、樟树（Cinnamomum camphora）、闽楠(Phoebe bournei)、楠木（Phoebe zhennan）、花榈木（Ormosia henryi)、红豆树(Ormosia hosiei)、鹅掌楸（Liriodendron chinense）、厚朴（Magnolia officinalis）、凹叶厚朴（Magnolia biloba）、峨眉含笑（Michelia wilsonii）、水青树（Tetracentron sinense）、红椿（Toona ciliata var.pubescens）、红毛椿（Toona ciliate var.Pubescens）、金荞麦（Fagopyrum cyrmosum）、香果树（Emmenopteryshenryi）、川黄檗（Phellodendron chinense）、榉树（Zelkova schneideriana）。
　　保护区资源植物极为丰富，按用途可分为27大类，所含物种较多的类别有：淀粉资源植物（102种）、饲用资源植物（60种）、蜜源资源植物（293种）、中草药资源植物（1361种）、农药资源植物（38种）、有毒资源植物（195种）、木材资源植物（48种）、纤维资源植物（120种）、鞣料资源植物（86种）、香料资源植物（105种）、工业油脂资源（160种）、绿肥资源植物（46种）和野生花卉资源植物（115种）。

动物资源

　　保护区的陆生脊椎动物共有378种，占全省陆生脊椎动物总数的55.02%。其中兽类有72种，占湖北省兽类总数的59.50%；鸟类226种，占湖北省鸟类总数的49.56%；两栖类38种，占湖北省两栖类总数的79.17%；爬行类42种，占湖北省爬行类总数的67.74%；昆虫有22目，170 科，1368种，占湖北省昆虫物种总数的23.85%。
　　一、兽类资源
　　自然保护区兽类共有8目24科72种。保护区的兽类物种数占湖北省的59.50%。其中鳞甲目的种类占全省的100%，食肉目的种类占全省的 85.71%，啮齿目的种类占全省的75.68%，兔形目的种类占全省的66.67%，偶蹄目的种类占全省的63.64%，食虫目的种类占全省的 53.33%，灵长目的种类占全省的33.33%。
　　保护区的72种兽类的地理型为：东洋界种45种，占总数的62.50%；古北界种18种，占总数的25%；广布种9种，占总数的12.50%。结果说明：星斗山自然保护区的兽类以东洋界的种类占优势。
　　保护区的国家重点保护兽类共40种，隶属于7目17科，占保护区全部兽类55.56%。其中国家Ⅰ级保护兽类3种：豹（Panthera pardus）、云豹（Neofelis nebulosa）、林麝（Moschus berezovskii），占保护区内国家保护兽类的5%；国家Ⅱ级保护兽类11种，占保护区内国家保护兽类的27.5%。
　　保护区有湖北省重点保护兽类18种，隶属于4目10科，占保护区内全部兽类的25%；占湖北省重点保护兽类总数的94.74%。
　　二、鸟类资源
　　保护区有鸟类226种，隶属于17目46科。保护区的鸟类种数占湖北省的49.56%。保护区中画眉科鸟类有20种，占总种数的8.85%。其次是鸫科、雀科、莺科和鹰科，它们分别占总种数的8.41%、7.08%、6.19%和5.75%。
　　保护区鸟类，留鸟111种，占总数的49.12%；冬候鸟34种，占总数的15.04%；夏候鸟62种，占总数的27.43%；旅鸟19种，占总数的8.4%。