处于南北气候过渡带以及2000多米海拔落差山地的地理地貌特征，使得旬阳境内动植物种类丰富。野生动物资源调查（1999年）结果表明，旬阳有野生陆生脊椎动物385种，其中鸟类248种，兽类101种，爬行类24种，两栖类12种。国家重点保护的野生动物有20多种，有林麝、豹和金雕等。省级重点保护的野生动物有20多种，如画眉、猪獾、狗獾、黑熊、鬣羚、野猪、红隼、红腹锦鸡和花面狸等。

野生植物资源种类丰富，境内有木本植物200余种，草本植物195种。在低海拔（秦岭800m 以下，巴山900m 以下）地区分布着常绿与落叶混交林。常绿树如岩栎、香樟、马尾松、白皮松、斑竹、金竹等。落叶类如泡桐、榆、槐、枫树、油桐、桑树、银杏、茶树、板栗等。在中海拔（800-1800m）地区分布着落叶阔叶林，如栓皮栎、麻栎、漆树、红桦、白桦、油松、华山松、连香树等。在高海拔（1800m以上）地区分布着针叶阔叶混交林，如华山松、油松、铁坚杉、牛皮桦、椴树、白桦和红桦等。

主要珍稀保护植物有银杏、连香树、珙桐、红豆杉、何首乌、天麻、金银花、茯苓、杜仲、党参等。