En el PNN Los Katíos se encuentran representados los siguientes ecosistemas: bosques inundables en llanura aluvial, ciénagas, selva tropical en serranía aislada y bosque enano nublado en cumbre de serranía aislada.

En el Parque se han reportado 105 especies de reptiles, sin embargo, al igual que pasa con los mamíferos, no existen evidencias de registros de este número de especies dentro del Parque. Entre las especies de reptiles registradas se encuentran las tortugas morroco (Chelonoidis carbonaria), icoteas (Trachemys scripta), mordedoras (Chelydra serpentina) y tapa culo (Kinosternon sp.), también hay babillas (Caiman crocodylus) y en algunos documentos se menciona que en el AP es posible encontrar grandes cocodrilos fluviales (Crocodylus acutus) y numerosas serpientes, entre ellas las boas (Boa constrictor) y las víboras mapaná o talla equis (Bothrops asper). Para el caso de los anfibios, se han registrado 20 especies, incluidas en nueve familias y 14 géneros.

Igualmente, se han reportado alrededor de 412 especies de aves para el Parque, entre las que se destacan el Pavón (Crax rubra), cuatro especies de guacamayas (Ara ararauna, Ara ambiguus, Ara chloropterus y Ara severa), la Chavarría (Chauna chavari, casi endémica), el Buco o bobito (Bucco noanamae, especie endémica regional) y aves rapaces como el Águila arpía (Harpia harpyja), el Milano plomizo (Ictinia plumbea), el Gavilán pescador (Busarellus nigricollis) y los caracoleros (Rostrhamus hamatus), (Buteogallus urubitinga) entre otras. Entre estas especies se encuentran especies catalogadas a nivel nacional en riesgo de extinción. En cuanto a los mamíferos, el PNN Los Katíos ha reportado cerca de 182 especies, sin embargo, salvo grandes y medianos mamíferos, existen vacíos de información sobre pequeños roedores, quirópteros y marsupiales.

Para las ciénagas de Tumaradó, se reportan 42 especies de peces pertenecientes a 20 familias y siete órdenes. Por su parte, para la cuenca del Atrato se reportaron 134 especies (sin tener en cuenta especies de estuarios), agrupadas en siete órdenes y 30 familias. Entre las especies registradas para el Parque se encuentran las rayas (Potamotrygon magdalenae), los bocachicos (Prochilodus magdalenae), las canchanas o boquianchas (Cynopotamus atratoensis), los quícharos o moncholos (Hoplias malabaricus) y los bagres pintados (Pseudopimelodus schulzi). Algunas especies están catalogadas a nivel nacional en riesgo de extinción.

Se ha registrado notablemente la flora para el área del Parque, con un reporte de 669 especies botánicas repartidas en 96 familias de dicotiledóneas y 20 de monocotiledóneas. Entre ellas, se encuentran especies catalogadas a nivel nacional en riesgo de extinción.

Entre las seis asociaciones vegetales que se encuentran en el área, se destaca la Prioria copaifera en las estribaciones medias, en las estribaciones más bajas sobresalen especies como la Ceiba (Ceiba pentandra), en las colinas altas se encuentran asociaciones con palmas mil pesos (Ocnocarpus mapara) además de choíbas (Dypteris oleifera), sandes (Brosimun utile), ceibas tolúa (Ceiba tolua), camajanes (Sterculia apetala) y lecheperras (Helicostylis tomentosa).Por su parte, en las llanuras aluviales inundables prosperan el Buchón de agua (Eichhornia azurea), la Lechuga de agua (Pystia stratiotes), el Arracacho (Mantrichardia cirborescens), la Palma pangana (Raphia taedijera), el Chachafruto (Erithina poepigiana) y el Guarumo (Cecropia sp.).

El PNN Los Katíos presenta un atractivo único natural, aparte de la biodiversidad y las inmensas posibilidades de avistamiento de aves, el Parque cuenta con paisajes de enorme belleza, como los saltos Tilupo, Tendal, Tendalito y La Tigra, además de las ciénagas de Tumaradó. Las diferentes etnias también representan un interés para la conservación, ya que forman parte de la riqueza cultural de la región. Los Wounaan son los únicos que habitan el territorio del Parque, pero los Tule, los Emberá y los pueblos afrodescendientes viven en las zonas aledañas. Por otro lado, sitios clave de los ecosistemas del área representan para las comunidades indígenas, como las de Juin Phubuur, sitios sagrados de gran importancia, lo cual quedó consignado en el Régimen Especial de Manejo (REM) con esta comunidad. Todos los anteriores, se constituyen en servicios culturales de tipo espiritual, religioso, estético, de herencia cultural e identidad del sitio.

Además, Los Katíos constituyen un ejemplo eminente de procesos ecológicos y biológicos de la evolución de los ecosistemas terrestres y dulceacuícolas con comunidades de plantas y animales.