Der 1572 in seiner jetzigen Größe angelegte Großhartmannsdorfer Großteich ist der größte dieser Wasserspeicher und befindet sich ca. zehn Kilometer südlich von Freiberg in einer Höhenlage von etwa 490 m. Durch einen Kunstgrabens mit zwei kurzen Röschen wird ihm seit 1580 Wasser von Zethau und den kleinen Tälern oberhalb von Helbigsdorf zugeführt. Der Teich und dessen Umfeld wurden 1967 als Naturschutzgebiet (NSG) ausgewiesen - eines der wertvollsten komplexen Schutzgebiete und das wichtigste Brutgebiet für Wasservögel im gesamten Erzgebirge! Das 150 Hektar große NSG (davon 66 Hektar Wasser) ist reich an Feuchtbiotopen von recht unterschiedlicher Art: neben der offenen Wasserfläche auch Sümpfe, gemähte Feuchtwiesen, Birken-Moorwald, Fichtenforst und Laubmischwald. Es gibt jedoch nahezu keine direkten Vernetzungsstrukturen zu den anderen Bergwerksteichen des Gebietes, da diese nur durch Kunstgräben miteinander verbunden sind. Lediglich Vögel und andere Tiere mit hoher Mobilität können die Entfernungen zu anderen Gewässern und zu anderen Feuchtbiotopen (wie z. B. den Feuchtwiesen und den Teichen südwestlich von Helbigsdorf) mühelos überwinden.
Ein Betreten des Gebietes ist in der Brutzeit der Vögel grundsätzlich verboten, sonst nur mit behördlicher Genehmigung erlaubt. Trotzdem können hier mit einem Fernglas die Wasservögel sehr gut beobachtet werden. Sowohl von der Dammseite am Nordrand des NSG als auch von einer Beobachtungskanzel im Südosten (Nähe Heidemühle) kann man fast die gesamte Wasserfläche und große Bereiche der Uferregionen gut überblicken.
Von herausragender, überregionaler Bedeutung ist am Großhartmannsdorfer Teich die Teichschlammvegetation, die sich nur aller vier Jahre, nach dem Ablassen des Teiches (bzw. bei starker Wasserspiegelabsenkung), aus den zwischenzeitlich im Bodenschlamm ausharrenden Samen entwickelt.
Die beiden Hochmoore im Osten und Südwesten des NSG sind, trotz des weitgehenden Abbaus, noch immer bemerkenswert. Im südwestlichen Hochmoorrest befindet sich eine Fläche mit unterschiedlichen Entwicklungsstadien eines Moorbirken-Moorwaldes. In der Krautschicht herrschen hier Heidekraut, Heidelbeere, Rauschbeere und Pfeifengras vor. Horste mit Scheidigem Wollgras sind eingestreut. In alten Torfstichlöchern sind Torfmoose und vereinzelt auch die Moosbeere zu finden. Das Moor an der Ostseite ist nach 1945 erneut abgebaut worden und zeigt ähnliche Regenerationsstadien wie an der Südwestseite.
Das Teichröhricht wird örtlich sehr verschieden vor allem von Wasserschwaden, Breitblättrigem Rohrkolben, Schilf und Rohr-Glanzgras gebildet.
Der Wert des Gebietes wird durch die großen Sumpf- und Röhrichtflächen sowie die noch heute landwirtschaftlich genutzten Nasswiesen (teilweise bereits außerhalb des NSG) beträchtlich erhöht. Hier wachsen in großen Beständen Schilf, Rohr-Glanzgras, Sumpf-Reitgras, Spitzblütige Binse, Rasen-Schmiele, Waldsimse und Echtes Mädesüß. Hinzu kommen Sumpf-Kratzdistel, Wald-Engelwurz, mehrere Seggenarten und viele andere Pflanzen, wie das in Sachsen gefährdete Sumpf-Blutauge.
Alle diese Flächen haben eine große Bedeutung als Lebensraum für zahlreiche Tiere, insbesondere für Wasservögel. Beispielsweise befindet sich in unmittelbarer Nähe des Naturschutzgebietes der am höchsten gelegene, über längerer Zeit regelmäßig genutzte Brutplatz des Weißstorches in Sachsen.
Auch der stattliche Graureiher nistet in einer Kolonie am Rand des Teiches. Für das Erzgebirge bemerkenswert ist das Brüten von Schwarzhals- und Haubentaucher sowie von Knäck-, Krick-, Schnatter-, Tafel-, Löffel- und Reiherente sowie Rohrweihe am Großen Teich und den benachbarten Helbigsdorfer Teichen. Seit den 1960er Jahren besteht am Großteich eine Kolonie der Lachmöwe, die zeitweise mehr als 1000 Brutpaare umfasste.
Weitere bedeutsame Tierarten sind der Moorfrosch, der hier eines der am höchsten gelegenen Vorkommen in Sachsen hat, die Ringelnatter, die Teichmuschel, zahlreiche Libellen- und viele weitere zum Teil recht seltene Insektenarten. Bemerkenswerte Vertreter der Libellenfauna sind Glänzende Binsenjungfer sowie Gefleckte Heidelibelle, die sich in riesigen Mengen in den sumpfigen Uferzonen entwickeln. Die Kleine Mosaikjungfer tritt am Großteich aufgrund der Höhenlage nicht in allen Jahren auf. Aus der Heuschreckenfauna ist vor allem die große Population des Sumpf-Grashüpfers zu erwähnen. Die Sumpfschrecke, eher eine typische Art der Feuchtgebiete des Tieflandes, trat erstmals 2006 in den nassen Wiesen am Großteich auf.
Als seltene Säugetiere wurden an den Teichen bei Großhartmannsdorf Fischotter, Mink, Zwergmaus, Wasserfledermaus sowie Zwergspitz-, Wasserspitz- und Waldspitzmaus beobachtet. Innerhalb der Ortschaft Großhartmannsdorf kommen Nordfledermaus sowie Kurzohr- und Kleinaugenwühlmaus vor. In der Kirche von Großhartmannsdorf haben das Braune Langohr und die Fransenfledermaus ihre Wochenstubenquartiere.