Vernegrunnlag: Urørthet. Anbefalt referansevassdrag. Vassdraget er viktige deler av et landskap med høye, oftest flate fjell, stedvis med breer. Frodig sidedal til Barduvassdraget, som ellers er mye utbygget. Elveløpsform, elveavsetninger, botanikk og landfauna inngår som viktige deler av naturmangfoldet. Store kulturminneverdier. Viktig for friluftslivet.

(Foto: Gunnar Kristiansen, 2009)
Sørdalselvas nedbørfelt er en del av Barduvassdraget. Det vernete feltet ligger sør for Setermoen, mellom Altevatn‑Østerdalen og Salangselvas nedbørfelt. Vassdraget strekker seg fra vannskillet på grensen mot Sverige i sør, til utløp i Barduelva ca. 30 km fra grensen.
 
Nedbørfeltet domineres av høyfjell som omkranser elva i øst og vest. Høyfjellsplatåene har flere isbreer og markerte fjelltopper. Høyest rager Riehppecohkka på 1459 moh. i sørvest, og Snøhetta 1505 moh. på vannskillet mot vest. Dalsidene er stupbratte. Øverst har dalen canyonpreg. Elva renner forholdsvis stri ned til Sørmo herfra renner den over en bred elveslette. Feltet har få større vann, de to største er Tuvvatnet i Melhusdalen og Geitryggvatnet i Isdalen.
Berggrunnen består av næringsrik glimmerskifer og marmor. Spesielt i de vestvendte liene er lauvskogen frodig og langs elva vokser kantskog av gråor. Feltsjiktet er dominert av høgstauder og storbregner. Opp mot fjellet tar bjørka over, og danner skoggrense i 500 meters høyde. Over skoggrensen er heivegetasjonen mest framtredende. På kalkrik grunn er det reinroseheier. Flere sjeldne arter og plantesamfunn er påvist. Spesielt fjellpartiene mellom Sørdalen og Isdalen er botanisk svært rike med nordlige, unisentriske fjellplanter (planter som i Norge bare forekommer i enkelte fjellpartier enten i Nord-Norge eller i Sør-Norge) og arter med østlig utbredelse. Dalen har et stort artsmangfold av fugler, der det også inngår noen truede arter. Fuglesamfunnet knyttet til lauvskogen i nedre deler er spesielt rikt og feltet har mange egnede lokaliteter for klippehekkende rovfugl. Ferskvannsfaunaen er gjennomgående individrik med en allsidig sammensetning av dyregrupper. Melhus‑ og Isdalselva som fører brepåvirket vann med lav temperatur, har en interessant ferskvannsfauna. Dalene har store naturfaglige verneverdier og er foreslått som nasjonalpark. Den vil grense til en nasjonalpark på svensk side. Ved Pålnoviken nær svenskegrensen ligger en samisk offerplass med funn fra yngre jernalder. I nærheten er det et fangstgropsystem fra veidetiden. Reindriftsgrupper har hatt flytteveger gjennom Sørdalen på veg til kysten. Fast gårdsbosetting i dalføret ble etablert omkring 1820 av innvandrende bønder fra Østerdalen. Det finnes innslag av gamle hus i gårdsbebyggelsen, de fleste fra annen halvdel av 1800‑tallet. Rester av kverner og stamper ligger ved flere av sidebekkene.

Vassdraget har slående kontraster mellom fjell, breer og frodige dalfører. DNT har merkete turruter og en ubetjent turisthytte. Store deler av nedbørfeltet er nesten uten inngrep. Et par steder er det satt opp reingjerder. De nedre deler av Sørdalen er noe jordbrukspåvirket. I nordvest ligger en liten del av nedbørfeltet innen et av Forsvarets skyte‑ og øvingsfelt.