В заповіднику охороняється понад 1300 видів судинних рослин, загальна кількість видів природної флори становить 2864 види. У флорі заповідника виявлено 65 ендемічних видів та 131 рідкісний вид, занесений до Червоної книги України, і 8 видів, занесених до Європейського червоного списку. Флора судинних рослин Карпатського біосферного заповідника об'єднує 5 відділів, 102 родини і за кількістю видів становить більш як 50 % флори Українських Карпат.

Основне флористичне різноманіття Карпатського біосферного заповідника спостерігається в лучних ценозах, які представлені на низинних заплавних луках, високогір'ї та лісових галявинах. Лише в масиві "Долина нарцисів" росте понад 400 видів рослин, серед яких такі рідкісні, як пальчатокорінники Фукса і травневий, еритроній собачий зуб, тирлич звичайний, півники сибірські, зозулинець блошиний, перстач білий та інші. Унікальна особливість цієї заповідної ділянки - наявність однієї з найбільших рівнинних популяцій рідкісного високогірного виду нарциса вузьколистого.

В межах лісового поясу найбільше флористичне багатство на вапнякових пасмах, зокрема в Угольсько-Широколужанському масиві, де ростуть кизильник цілокраїй, ялівець козачий (єдине місце його зростання в Українських Карпатах), жостір проносний, липа широколиста, тис ягідний (біля 1,5 тис. особин), а з трав'янистих рослин - петрофіли та альпійські види: булатка довголиста, в'язіль стрункий, кортуза Маттіолі, півники несправжньосмикавцеві, борідник Прейса, ломикамінь волотистий. Є також неморальні та аридні види - арум плямистий, коральковець тричінадрізаний, епіпогіум безлистий, вужачка звичайна, фіалка дакійська тощо.

У субальпійському та альпійському поясах заповідних масивів ростуть такі рідкісні рослини, як анемона нарцисоцвіта, аконіт міцний, роман карпатський, жовтяниця альпійська, тирличі безстебловий, жовтий крапчастий та весняний, перестріч скельний, нарцис вузьколистий, парагеум гірський, шолудивник кільчастий, медунка угорська, сон білий, родіола рожева.

Загальна кількість зареєстрованих видів фауни Карпатського біосферного заповідника на сьогодні становить 4383 види. Безхребетних тварин тут відмічено 4078 видів (а за прогностичними розрахунками тут мешкає понад 15000 видів безхребетних). В заповіднику охороняється 66 видів ссавців, 191 вид птахів, 9 видів плазунів, 13 видів земноводних, 25 видів риб, 1 вид круглоротих. Його фауна налічує понад 100 ендемічних видів тварин, з яких щонайменше два відомі тільки для цієї заповідної території. Загалом тут охороняється 75 види тварин, занесених до Червоної книги України та 20 видів, занесених до Європейського червоного списку.

Центральним ядром фауни хребетних Чорногірського, Свидовецького та Марамороського масивів є види тайгового та альпійського комплексів. У високогір'ї (на висоті 1700 мі більше) трапляються нориця снігова й тинівка альпійська, що занесені до Червоної книги України. З плазунів звичними тут є гадюка звичайна і ящірка живородна. Невеликі стоячі водойми використовують для нересту карпатський та гірський тритони.

Характерними видами хвойних і мішаних лісів є трипалий дятел, корольок жовтоголовий, біловолий дрізд, шишкар ялиновий, карпатський підвид глухаря, рись, ведмідь бурий тощо. Тут широко представлені види, характерні для всього лісового поясу Карпат: гірські підвиди благородного оленя, кабана, а також козуля, вовк, сова сіра, оляпка та інші.

Фауна букових пралісів Карпатського заповідника є дуже своєрідною. Тут зустрічаються як суто "тайгові" види - рись, довгохвоста сова, жовна, снігур, так і характерні для широколистяних лісів - чорний дрізд, середній, білоспинний і сивий дятли, мухоловка, костогриз, голуб-синяк, ліщиновий вовчок, лісовий кіт, кабан, саламандра плямиста. Звичними мешканцями на цій території є благородний олень, лісова куниця, руда нориця, канюк, повзик, трав'яна жаба - види, які поширені по всьому лісовому поясу Карпат. До рідкісних тварин, що занесені у Червону книгу України, тут належать кутора мала, горностай, видра, пугач, чорний лелека, лісовий полоз, тритон карпатський тощо.
У заповідних холодних гірських ріках водиться форель струмкова, бабець-головач, щипавка, гольян та угорська мінога. На нерест у притоки Тиси піднімаються дунайський лосось і харіус.

Дуже різноманітною є фауна рукокрилих, яка налічує 21 вид кажанів, з них 10 є рідкісними і занесені до Червоної книги України та Європейського червоного переліку. Це підковоноси (великий і малий), довгокрил, нічниці велика, триколірна, довговуха і війчаста, широковух, вухань звичайний та вечірниця мала. Існування більшості рукокрилих тісно пов'язане з підземними порожнинами. В карстових печерах Угольки виявлено унікальну фауну безхребетних-троглобіонтів, серед яких є вузькоендемічні види, відомі тільки на цій заповідній території. Це, зокрема, сліпі види турунів та ногохвісток.

За своїм фауністичним складом масив "Долина нарцисів" відрізняється від інших заповідних ділянок Карпатського біосферного заповідника. Для нього властиві тварини заплавних лук Закарпатської рівнини. Серед птахів тут переважають луговий чекан, звичайна вівсянка та сіра славка. У більш зволожених місцях звичними мешканцями є деркач та очеретянка-борсучок. У чагарниках трапляються фазан і ремез. Характерні земноводні "Долини нарцисів" - жаба ставкова, ропуха звичайна, тритони звичайний і гребінчастий. З плазунів трапляються вуж і прудка ящірка. Теріофауна представлена звичайною норицею, польовою мишою, мишою маленькою, ондатрою, зайцем-русаком та іншими видами, зовсім не властивими для гірських масивів заповідника. Багатою є іхтіофауна річки Хустця - єдиного рівнинного водотоку на його території. Тут водиться близько 20 видів риб.

Карпатський біосферний заповідник є одним з найбільших наукових та еколого-освітніх центрів Карпатського регіону. Тут працюють наукові лабораторії, створена мережа моніторингових ділянок, фенологічних пунктів, гідрологічних та метеорологічних постів. Заповідник слугує природною лабораторією для багатьох вітчизняних та зарубіжних науково-дослідних установ. На його території розгорнута мережа еколого-освітніх, науково-пізнавальних маршрутів та інформаційних центрів. Заповідник відвідують щорічно близько 30 тис. чоловік. Із 18 науково-пізнавальних маршрутів особливою популярністю користується маршрут, що веде на найвищу точку України - г. Говерлу.