陕西桑园自然保护区是2002年8月经陕西省人民政府批准成立的省级自然保护区，后于2009年9月晋升为国家级自然保护区。保护区位于陕西省汉中市留坝县东北角，处于秦岭中段大熊猫自然保护区群的西缘，东部紧邻牛尾河自然保护区，南邻摩天岭、板桥和盘龙自然保护区，西部与屋梁山自然保护区和青木川自然保护区相望。桑园保护区处于相邻几个保护区的中心地带，是秦岭中部大熊猫种群向西扩散的必径之地。保护区总面积13806公顷，其中国有林9342公顷，占保护区总面积的67.7%，集体林4464公顷，占保护区总面积的32.3%。功能区划：核心区为8769．02公顷，占保护区总面积的63.71%；缓冲区为2620．69公顷，占保护区总面积的18.98%；实验区为2389．33公顷，占保护区总面积的17.31%。
桑园保护区是以大熊猫及其栖息地为主要保护对象的野生动物类型自然保护区，通过科学考察表明，保护区有高等维管束植物1099种，野生脊椎动物249种，大型真菌68种，昆虫1353种。在这些众多的物种中，有红豆杉、秦岭冷杉、连香树、水青树、水曲柳等国家Ⅰ、Ⅱ级珍稀保护植物9种。在保护区的主峰摩天岭分布有近2000公顷面积的秦岭冷杉群，其规模在整个秦岭地区较为罕见。
除植物资源外，保护区的野生动物资源也非常丰富，有国家一级保护野生动物6种：如大熊猫、金丝猴、羚牛、林麝等;二级保护野生动物24种：如黑熊、大鲵、大鵟、鬣羚、斑羚等。保护区主要范围为大熊猫的适宜栖息地，面积为11508公顷，占保护区总面积的83.4%。除动植物资源外，保护区内还有摩天岭、奎心楼、红花嶒瀑布等以高、寒、奇、险为特色的天然旅游景观资源。
桑园保护区在历史上一直是秦岭大熊猫的重要分布区，从1984年5月初，当地村民肖平贵上山采药，在砖头坝组的香炉沟发现了多处大熊猫粪便，并经佛坪保护区管理局进行了鉴定，随后进行了跟踪调查，在砖头坝组、梨子坝组、小川子四组发现了多处大熊猫食迹及其粪便，从取食竹子的高度和粪便及新旧程度来推断，这几处当时至少有3—5只大熊猫。1987年11月7日下午四时左右，正在桑园林场搞二类资源调查的技术员王忠荣等三人在范条峪四组三道沟桦木梁中部（1900米）首次观看到活体大熊猫。1996年6月中旬，桑园坝乡田坝村村民在砖头坝椿树沟挖药时，看见河边一只大熊猫在喝水，喝完水后慢慢地爬上山坡。1997年8月，范条峪村砖头坝组村民肖平贵在缭线沟发现大熊猫实体。同年全国陆生野生动物普查对在本县进行外业调查时，在保护区范围内的松坪子、磨子沟、三道沟等地发现了大熊猫活动痕迹（啃食后的残竹和粪便）。1999年3月在桑园坝乡与砖头坝一梁之隔的沙岭子村大岩方组戴家湾魏朝忠家附近发现一只患病的大熊猫，发现这只大熊猫时， 这只被3条家犬围困了一夜， 从5米高的松树上摔下来的大熊猫身体蜷曲，神情呆滞，不喝水，只吃少量的本地甘蔗，排泄的粪便有粘液。县林业局接到报告后立即组织了营救活动。经过用药、喂食、喂水等精心抢救措施后，这只成体雌性体重75公斤、年龄约5岁左右、取名为“留留”的大熊猫，两眼红肿、厌食、行动迟缓等症状消失，精神恢复正常，并于3月6日运往陕西省珍稀野生动物救护饲养研究中心进行进一步救治观察，多家媒体进行了报道。经过七年的休养后，于2006年国庆前“留留”被送往太原动物园借展，2008年返回陕西楼观台休养，目前“留留”生长状况良好。
全国第三次大熊猫调查显示，桑园保护区内有大熊猫成体7只（不含亚成体），根据近两年的监测数据分析加上幼体和有时从相邻牛尾河省级自然保护区、长青国家级自然保护区、摩天岭省级自然保护区迁徙过来的大熊猫，估计目前区内有大熊猫在20只左右。