Территория Полистовского заповедника включает западную часть Полистово-Ловатской болотной системы, одной из самых крупных верховых болотных систем Европы, состоящей из 15 слившихся болотных массивов.
В заповеднике обитают 142 вида птиц, в том числе 12 видов, занесённых в Красную книгу РФ. Здесь обитает крупнейшая из известных в лесной зоне Европы локальная популяция большого кроншнепа. Обычны на гнездовье южная золотистая ржанка, средний кроншнеп и серый сорокопут. Болотная система является крупнейшим на Северо-западе России естественным резерватом некоторых видов птиц, находящихся под угрозой исчезновения: европейской чернозобой гагары, беркута, среднерусской белой куропатки. Также здесь обитает 31 вид млекопитающих, 3 вида рептилий, 2 вида рыб и 3 вида амфибий.
Произрастают 450 видов растений, 1 из которых (пальчатокоренник балтийский) занесён в красную книгу России, 113 видов мохообразных, 45 видов лишайников.