По геоботаническому районированию Полесский заповедник расположен в Полесско-Приднепровском округе подзоны широколиственно-сосновых лесов. Лесопокрытые земли составляют 110,4 тыс. га (51,1 % территории), из них сосновые леса занимают 43,9 % лесопокрытой площади, березовые - 30,7 %, черноольшаники - 12,4 %, дубравы - 6,3 %, остальные лесонасаждения - 6,7 %. Основной тип леса - мшистый (24,3 %), часто встречаются папоротниковые (14,3 %), черничные (14,0 %) и вересковые (10,3 %). Имеются крупные лесные массивы (Дроньковский, 15 тыс. га, Радинский, 12 тыс. га, Кировский, 12 тыс. га). Преобладают молодняки и средневозрастные насаждения.

Не покрытые лесом земли (в основном бывшие сельскохозяйственные угодья) занимают 82,2 тыс. га (38,0 %), нелесные земли - 20,1 тыс. га (9,3 %) территории Полесского заповедника.

Широкомасштабные флористические исследования на территории Полесского заповедника не проводились, однако даже фрагментарное обследование территории свидетельствует о ее высокой видовой насыщенности. На сегодняшний день установлено произрастание 884 видов сосудистых растений, что составляет около 50 % современной флоры Беларуси. Для сравнения отметим, что в Национальном парке "Беловежская пуща" зарегистрировано 889 видов, Национальном парке "Припятский" - 834, заказнике Налибокская пуща - 820 видов, Березинском биосферном заповеднике - 780 видов.

Установлено произрастание 29 видов охраняемых растений, из которых ятрышник шлемоносный, астра степная, осока теневая, наяда большая, водяной орех плавающий, гвоздика армериевидная, крестовник эруколистный, пыльцеголовник длиннолистный, венерин башмачок настоящий, росянка промежуточная очень редки и на территории Беларуси известны лишь единичные местонахождения. Численность таких редких видов, как сальвиния плавающая, ирис сибирский, любка зелено-цветковая, ятрышник шлемоносный, довольна высокая. Впервые для республики здесь зарегистрировано произрастание молодила русского, зубровки ползучей и таволги степной. Уникальная ситуация сложилась с многолетними декоративными травянистыми растениями, произрастающими на бывших приусадебных участках, многие из них уже длительный период конкурируют с местной флорой.

Фауна характерна для подзоны широколиственных лесов с представителями таежных и степных видов. На территории Полесского заповедника к настоящему времени зарегистрировано 44 вида наземных млекопитающих, что составляет 74,6 % от количества видов этой группы животных или 57,9 % от видового состава млекопитающих Беларуси. Есть вероятность обнаружения еще 2 видов из этой группы животных, а для установления полного видового состава млекопитающих необходимо провести изучение Рукокрылых.

Из 11 видов наземных млекопитающих, включенных в Красную книгу Республики Беларусь, в Полесского заповедника на сегодняшний день отмечены 6 - медведь, барсук, рысь, соня-полчок и орешниковая, зубр. Медведь отмечен в единичном экземпляре, рысь и сони встречаются редко, численность барсука имеет тенденцию к росту и его численность оценивается в 200 особей.

В 1996 году из Национального парка "Беловежская пуща" была завезена микро популяция зубра в количестве 16 животных. В конце 2005 года их численность составила 47 особей.

Из 19 видов земноводных и пресмыкающихся, обитающих на территории Беларуси, в Полесском заповеднике к настоящему времени зарегистрировано 17 (89,5 % всей герпетофауны республики).

Снятие антропогенного пресса привело к существенному увеличению численности болотной черепахи - вида, внесенного в Красную книгу Республики Беларусь, в настоящее время она входит в ядро герпетоценоза Полесского заповедника. Из других охраняемых видов выявлено несколько мест обитания медянки.

На территории Полесского заповедника отмечено около 120 видов птиц, что составляет приблизительно 2/5 орнитофауны Беларуси, из них 11,7 % составляют виды, занесенные в Красную книгу РБ. На зимовке наблюдается до 5 особей беркута и до 15 орланов-белохвостов, видов, входящих в число самых редких в стране. Видовой состав и численность продолжают претерпевать значительные изменения, вызванные резким снижением антропогенного влияния и происходящими сукцессионными процессами.

На территории Полесского заповедника продолжается деградация бывших сельскохозяйственных угодий, мелиоративных систем, дорог, строений, развивается повторное заболачивание территории, закустаривание лугов, что ведет к изменению структуры фито- и зооценозов на этой территории.