大雪山国立公園の山々の多くは標高2,000m前後ですが、緯度が高いため本州の3,000m級に匹敵する厳しい高山環境を有しており、地形や過酷な気象条件により多様な植生が形成されています。広大な面積を有する山麓部には、エゾマツ・トドマツを主体とした針葉樹と広葉樹の広大な樹林帯がみられますが、標高が高くなるに従い、針葉樹林、ダケカンバ林と様相が変化し、さらに森林限界、ハイマツ帯へと推移し、山頂部付近の高山植物群落には日本の高山植物の4割に相当する約250種が確認されています。

高山植物群落には希少種も多く、エゾオヤマノエンドウ、ホソバウルップソウなどの大雪山固有種や、リシリリンドウのような分布の限られた種類も見られます。山頂部では、真夏でも大きな雪渓・雪田が残り、多彩な高山植物が華麗なお花畑をつくり出しています。
高原の湿地帯には高層湿原が広がっており、湿原特有の植物やわい性化したアカエゾマツなどがみられます。

多様な環境をもつ大雪山は、その広大な規模に比例するように生物多様性に富んでいます。広大な大雪山の森林には、ヒグマをはじめ、エゾシカ、キタキツネ、エゾオコジョ、エゾリスなどのほ乳類や、国の天然記念物のシマフクロウ、クマゲラなど多くの鳥類が棲息し、幻の鳥ミユビゲラも確認されています。魚類ではサケ科のオショロコマが生息しており、然別湖だけに生息する亜種はミヤベイワナと呼ばれています。高山帯では、ギンザンマシコやホシガラスなどの繁殖が確認されています。
大雪山と限られた地域でしか見られない動物も多く、北海道の寒冷な岩場に生息地が限られるエゾナキウサギや、大雪山にしか生息しない高山蝶ウスバキチョウ、アサヒヒョウモンなどは、氷河期に大陸から渡ってきた後、温暖化により寒冷な高山だけに残された「遺存種」と呼ばれる動物です。