Les característiques especials del territori (sòl silici, humitat i altitud) contribueixen que la Serra d’Espadà siga una illa respecte del seu voltant. La vegetació típica és el bosc de sureres amb l’alcornoc o surera (Quercus suber) com espècie dominant, acompanyat amb una varietat de falgueres com el polipodi (Polipodium cambricum) o la falzia de bosc (Asplenium onopteris), formant en alguns paratges sistemes amb equilibri natural o “clímax”. El pi rodeno (Pinus pinaster) es barreja amb les sureres o forma boscos desplaçant a curt termini a aquesta, ja que creix més ràpidament, encara que és més piròfit i no deixa créixer sotobosc, per tant difícilment es pot considerar com a bosc “climàcic”.
En sòls calcaris l’alzina de fulla petita o carrasca (Quercus rotundifolia) i el pi (Pinus blanc) són les espècies arbòries característiques. La carrasca ha estat tan explotada per a llenya i carbó, que resulta estrany trobar arbres de molta grandària.
Altres arbres que podem trobar són el roure cerrioïde, el roure gal·ler, el castanyer, l’auró i la servera. La varietat d’arbres que poques vegades arriben a fer-se grans també és important: el teix, el grévol, l’avellaner, el ginebre, el marfull, l’arbocer i el cirerer de Santa Llúcia (utilitzat com a patró dels cirerers).
Pel que fa a les plantes arbustives tenim els brucs, estepes, argilages i ginestes, i una gran varietat de plantes de menor alçada, entre les quals destaquen algunes endèmiques com la bracera (Centaurea Paui) i el clavellet de roca (Minuartia valentina).
Els fongs troben condicions per desenvolupar-se i, alguns anys, se’n troben moltes espècies de bolets, mentre els líquens decoren els paisatges de tota la Serra.
La fauna ha trobat en el territori unes condicions favorables per sobreviure, així, entre els mamífers grans destaquen el porc senglar, la rabosa, la fagina, la mostela i el teixó. De més menuts estan la rata cellarda (Eliomys quercinus), l’eriçó africà i unes poblacions importants de vàries espècies de rates penades en perill d’extinció. 
Entre les aus destaquen les rapinyaires, algunes amenaçades d’extinció, entre les quals es troben l’àguila cuabarrada o perdiguera (Hieraetus fasciatus), l’àguila calçada (Hieraetus pennatus), l’àguila marcenca (Ciercaetus gallicus) i l’astor (Accipiter gentilis), entre les diürnes, i el duc (Bubo bubo), el xot (Otus scops), el mussol banyut (Asio otus) i d’altres entre les nocturnes.
La població de rèptils està representada pel fardatxo i vàries espècies de serps, mentre que els amfibis ho estan per gripaus i el tritó meridional o ofegabous (Pleoredeles waltl).
No es destaca la Serra d’Espadà pels peixos, donada la manca de cursos permanents, encara que es poden trobar exemplars de madrilleta roja (Rutilus arcasii), peix de menys de 10 cm, que ens serveix d’indicador de la puresa de l’aigua dels rierols.
Respecte als insectes, la varietat i riquesa també és molt important.