У лісі зимують чижі, омелюхи, снігурі, корольки, які з початком весни відлітають на північ. Із осілих хижих птахів біля лісових озер-стариць зустрічається орлан-білохвіст, що живиться рибою, водоплавними птахами, такими ссавцями, як зайці, білки, великі мишоподібні. З інших хижаків у заповіднику трапляються балобан, канюк, змієїд, могильник, орел-карлик, скопа, пугач та ін. Найчисленніші фонові види - горобці, дятли, горлиці, горихвістки, зеленяки, зяблики, вівсянки, славки, шпаки, синиці, сойки. По берегах річки та озер постійно живуть представники качиних, що відлітають тільки при замерзанні водойм. Під час перельотів зупиняються на відпочинок лежень, дрофа, журавлі сірий і степовий, лебеді, поручайник, хохітва, ходуличник.

Із ссавців в лісі можна зустріти лося, козулю, дикого кабана, лисицю, єнота, горностая, білку, борсука, зайця.

Раніше в озерах мешкала хохуля звичайна - реліктовий звірок, який зник внаслідок пересихання озер. Нині спостерігається підняття ґрунтових вод, деякі озера (Став, Красненьке) постійно заповнені водою, тому з'являється можливість провести реакліматизацію хохулі.

Відділення "Провальський степ" (площа 587,5 га) розташоване біля села Провалля Свердловського району і складається з двох ділянок (урочищ): Калинівської (299,61 га) і Грушевської (287,89 га). З 1846 року ця територія належала Провальському кінному заводу, з 1945-го - радгоспу "Провальський", у господарстві якого у 1972 році утримувалось близько 4400 голів великої рогатої худоби, 9100 овець, 2800 свиней, 3800 голів птиці. Це негативно позначилося на стані кам'янистих степів. У 1975 році тут було створено державний заповідник, до складу якого увійшли такі угіддя: пасовище -416 га, ліс - 162,4 га, сіножаті - 7,5 га і рілля - 1,6 га.

Територія "Провальського степу" належить до Лозовсько-Каменського фізико-географічного району, який в тектонічному відношенні збігається з північним крилом Донецької складчастої країни. В геологічному складі вирішальну роль відіграють пісковики, вапняки і піщані сланці кам'яновугільного віку. Рельєф території гривастий (грядово-улоговинний), поверхня сильно розчленована улоговинами і балками. Висота місцевості становить від 150 до 230 м н.р.м.

Грушевська ділянка включає частину вододілу між річками Велике Провалля і балкою Грушевською; Калинівська - між балками Велике Провалля і Калинівська.
Переважаючі ґрунти - чорноземи щебенисті на елювії піщано-глинистих і глинистих сланців, чорноземи щебенисті на елювії піщаників, дернові ґрунти на елювії некарбонатних порід, піщано- і пилувато-середньо-суглинистого механічного складу.

Клімат місцевості більш континентальний порівняно із кліматом західних районів області і вологіший, ніж в оточуючих рівнинно-степових районах Донбасу. Річна сума опадів сягає 600 мм, середньорічна температура повітря становить +6-7°С, середньомісячна температура січня - -6-8°С, липня - +20-22°С. Абсолютні температурні мінімуми досягають -30-35°С, максимуми - +35-40°С. Безморозний період триває 160-180 днів. Для цього району характерні весняно-літні суховії.

На території "Провальського степу" існують постійні водотоки - р. Верхнє Провалля та її притока р. Калинова. Вони неглибокі (15-57 см) і вузькі (3-5 м завширшки), на кам'янистих перекатах розбиваються на кілька дрібних струмків. В охоронній зоні Грушевського урочища в балці Грушевській є ставок Катарал, площею близько 42 га, у межах Калинівської ділянки - невеликий (0,3 га) ставок, що був побудований у 90-х роках минулого століття на р. Верхнє Провалля. Річки і балка належать до системи р. Велика Кам'янка - правої притоки Сіверського Дінця.

Рослинність Провальського степу представлена лісами, чагарниками, степами, луками, болотами та водною і прибережно-водною рослинністю. Лісову рослинність складають дубові ліси з ясеном звичайним, кленом польовим і татарським, грушею звичайною, яблунею лісовою, глодом несправжньокривостовпчиковим, а також берестові гаї з кленом татарським, тереном і невеликими верболозами. Більшість цих лісів зберігаються на території Калинівського урочища.

Сучасні (типові) різнотравно-типчаково-ковилові степи займають середню і нижню частини схилів північної і східної експозицій та міжгрядові пониження на чорноземах різної потужності. Типчаники перетворюються на полідомінантні угруповання з едифікаторами ковили волосистої, української, пухнастолистої і вузьколистої. Невеликі площі займають ковила найкрасивіша і шорстка, а уздовж гребенів гряд - ковила дніпровська.

Для цього степу характерна участь північностепових видів і більш північного різнотрав'я, тут зростають ковила пірчаста, кострець прибережний, пирій середній, анемона лісова, суниці зелені, оман шершавий, конюшина альпійська і гірська, незабудка Попова.

Травостій формацій дво- триярусний, висотою 40-80 см. Видова насиченість становить 40-60 видів на 100 м2. Серед різнотрав'я переважають в'язіль барвистий, залізняки бульбистий і колючий, підмаренник справжній, шавлія дібровна і поникла тощо.

Порівняно з іншими степовими заповідниками, Провальський степ відрізняється найбільшим флористичним багатством. Тут зареєстровано 792 види судинних рослин, 14 видів мохоподібних, 51 вид зелених водоростей, 25 видів лишайників, На території цього відділення зростає також 182 види грибів.

У флорі цього відділення відмічено 11 видів реліктових і 135 видів ендемічних рослин, 29 видів, занесених до Червоної книги України, 7 - до Європейського червоного списку. Багато рослин, що зберігаються тут, мають велике господарське значення: відмічено близько 100 видів лікарських, більш як 90 - декоративних, 40 - медоносних видів рослин, є значна кількість кормових видів, багатих на вітаміни, дубильні і фарбувальні речовини, більшість яких є перспективними для введення в культуру.

До Червоної книги України занесено громовик гранітний, дрік донський, калофаку волзьку, 11 видів ковили, сон чорніючий, тюльпани дібровний, змієлистий і Шренка, шафран сітчастий та ін. На території відділення росте 6 степових рослинних угруповань, занесених до Зеленої книги України: формація мигдалю низького, формації ковили української, ковили волосистої, ковили