Благодаря обширной территории парка, расположенного в двух природных подзонах (северной и средней тайги), и многообразию природных ландшафтов от низинных и пойменных болот вдоль Илексы и на берегах Водлозера и огромных лесоболотных комплексов на плакорах до скалистых вершин кряжа Ветреный Пояс, в парке отмечено высокое биологическое разнообразие. Почти полное отсутствие антропогенного воздействия на экосистемы способствовало сохранению типично таежной структуры флоры и фауны национального парка.
Всего в настоящее время на территории парка выявлено 2727 видов биоты, в том числе: 533 вида сосудистых растений, 207 видов листостебельных мхов, 402 вида лишайников, 244 вида грибов. Фауна парка представлена 48 видами млекопитающих, 204 видами птиц, 3 видами амфибий, 2 видами рептилий, 23 видами рыб, 938 видами насекомых, 96 видами паукообразных, 25 видами ракообразных, 22 видами моллюсков, 8 видами кольчатых червей, 10 видами коловраток и 1 видом губок. Из них в Красную книгу РФ внесено 7 видов сосудистых растений, 3 вида лишайников, 1 вид листостебельных мхов, 3 вида аффилофороидных и сумчатых грибов, 7 видов птиц и 1 вид рыб; в Красную книгу Республики Карелия: 15 видов сосудистых растений, 3 вида листостебельных мхов, 20 видов лишайников, 21 вид грибов, 13 видов млекопитающих, 20 вид птиц, 1 вид рыб и 42 вида насекомых; в Красную книгу Архангельской области: 16 видов сосудистых растений, 17 видов листостебельных мхов, 18 видов лишайников, 17 видов грибов, 5 вида млекопитающих, 17 видов птиц, 1 вид пресмыкающихся и 1 вид рыб.
Флора Национального парка «Водлозерский» носит ярко выраженный бореальный облик. Неморальные виды представлены незначительно и отмечены в основном в окрестностях озера Водлозеро. Одиннадцать видов – полушник озерный (Isoёtes lacustris L.), полушник щетинистый, или колючеспоровый (Isoetes setacea Lam., I. echinospora Durieu), лобелия Дортмана (Lobelia dortmanna L.), пальчатокоренник Траунштейнера (Dactylorhiza traunsteineri (Saut. ex Rchb.) Soó), калипсо луковичная (Calypso bulbosa (L.) Oakes), венерин башмачок настоящий (Cypripedium calceolus L.), надбородник безлистный (Epipogium aphyllum Sw.), мох тетродонциум широковыемчатый (Tetrodontium repandum (Funck) Schwägr), лишайники лобария легочная (Lobaria pulmonaria (L.) Hoffm.), бриория Фремонта (Bryoria fremontii (Tuck.) Brodo et Hawksw.) и стереокаулон пальчатолистный (Stereocaulon dactylophyllum Flörke) – занесены в Красную Книгу Российской Федерации.
В водлозерских лесах обитают типичные таежные виды животных. Благодаря созданию национального парка на этой территории сохранилась изолированная группировка дикого лесного северного оленя (Rangifer tarandus fennicus Lönn.), численность которого повсеместно сокращается. Названная группировка является эталоном генома европейского дикого лесного северного оленя, так как на этой территории никогда не было домашнего оленеводства и примесь крови домашних северных оленей минимальна. Территория парка является одним из крупных репродуктивных центров ставшей редкой в других местах росомахи (Gulo gulo L.). В бассейне Илексы находится одна из самых крупных в Европе гнездовых группировок рыбоядных хищных птиц, занесенных в Красную Книгу России: орлана-белохвоста (Haliaeetus albicilla L.) и скопы (Pandion haliaetus L.). Все водоемы парка изобилуют рыбой. Здесь встречается более 20 видов рыб. Среди них наиболее массовыми видами являются лещ (Abramis brama L.), судак (Sander lucioperca L.), щука (Esox lucius L.), окунь (Perca fluviatilis L.), плотва (Rutilus rutilus L.), налим (Lota lota L.). Озеро Водлозеро – одно из самых высокопродуктивных водоемов Карелии.
