Kozienicki Park Krajobrazowy chroni jeden z najcenniejszych pod względem przyrodniczym kompleksów leśnych w Polsce. Występuje tu szereg siedlisk przyrodniczych oraz gatunków chronionych i zagrożonych wymarciem. Teren ten odznacza się znaczną rozmaitością zbiorowisk leśnych, od borów suchych i świeżych począwszy, poprzez bory i lasy mieszane, lasy liściaste do podmokłych olsów i łęgów. Wizytówką Puszczy są endemiczne, wyżynne, jodłowe bory mieszane, które na tym terenie uznawane są za postać kresową, natomiast jednym z najważniejszych i zajmującym tu największą powierzchnię siedliskiem przyrodniczym są grądy subkontynentalne. Roślinność nieleśna, pomimo że zajmuje niewielką powierzchnię jest różnorodna i prezentuje bardzo odmienne względem siebie grupy ekologiczne. Do najciekawszych należy roślinność torfowiskowa, skupiona w południowej części obszaru, wśród której dominują fitocenozy mszysto-turzycowe i mszary. Do najczęstszych należą zbiorowiska: turzycy dzióbkowatej i wełnianki wąskolistnej. Spośród zbiorowisk trawiastych do najcenniejszych należą ekstensywnie użytkowane łąki świeże: rajgrasowe i wiechlinowo-kostrzewowe.
Zbiorowiska leśne i nieleśne tworzą piękną mozaikę krajobrazową, której towarzyszy bogactwo świata roślin i zwierząt. Stwierdzono tu występowanie 295 gatunków grzybów wielkoowocnikowych, 267 porostów i 94 mszaków oraz około 628 gatunków roślin naczyniowych należących do 84 rodzin i 294 rodzajów.
O randze Puszczy Kozienickiej w zachowaniu krajowej flory naczyniowej świadczy obecność sześciu gatunków wymienionych w Polskiej Czerwonej Księdze Roślin: buławnika czerwonego, kostrzewy ametystowej, sasanki otwartej, widlicza cyprysowatego oraz turzyc – bagiennej i strunowej. Stwierdzono tu występowanie gatunków figurujących na krajowej Czerwonej liście roślin naczyniowych. Są wśród nich, m.in.: czosnek niedźwiedzi, goryczka wąskolistna, kukułka plamista, pływacz drobny i rosiczka okrągłolistna. Spośród tutejszej mykoflory na Czerwonej liście grzybów wielkoowocnikowych w Polsce znajduje się 41 gatunków, a trzy gatunki podlegają ochronie ścisłej: sromotnik bezwstydny, siedzuń sosnowy (szmaciak gałęzisty) i soplówka jodłowa. Spośród porostów znanych z terenu Puszczy Kozienickiej na Czerwonej liście porostów w Polsce znajduje się aż 71 gatunków, w tym: 7 krytycznie zagrożonych oraz 11 wymierających.
Puszcza Kozienicka jest najważniejszą w centralnej Polsce, tuż po Puszczy Kampinoskiej, ostoją dla 59 gatunków ssaków. Jednym z nich jest popielica, gatunek wymieniony w Polskiej Czerwonej Księdze Zwierząt. Występująca tu populacja popielic cechuje się bardzo dużą liczebnością i jednym z najwyższych w kraju wskaźnikiem zagęszczenia osobników przypadających na 1 ha lasu. Żyją tu również chronione w Polsce orzesznice i smużki. Puszczańskie rzeki zasiedlają stabilne populacje bobra i wydry. Okresowo pojawiają się migrujące wilki.
Bardzo bogata jest tutejsza chiropterofauna, w skład której wchodzi 16 spośród 17 gatunków nietoperzy występujących w Polsce niżowej, z czego do rozrodu przystępuje aż 14 gatunków. Najczęściej i najliczniej występuje borowiec. Do gatunków dominujących należą: mroczek późny, nocek rudy, gacek brunatny i nocek duży. Cechą charakterystyczną tego obszaru jest liczne występowanie borowiaczka, nocka Brandta i nocka Bechsteina, dla którego Puszcza Kozienicka jest drugim znanym w Polsce miejscem rozrodu i najdalej wysuniętym w kierunku północno-wschodnim stanowiskiem. Jednym z najrzadszych gatunków nietoperzy w Puszczy Kozienickiej jest mopek. Biorąc pod uwagę faunę nietoperzy ranga Puszczy Kozienickiej jest bardzo wysoka i porównywalna z Puszczą Białowieską.
Spośród ornitofauny na terenie Kozienickiego Parku Krajobrazowego i otuliny spotykamy prawdziwe ptasie rzadkości takie jak bączek, bielik, orlik krzykliwy czy trzmielojad. Odnotowano tu też gniazdowanie 29 gatunków ptaków wymienionych w załączniku I Dyrektywy Ptasiej. Duża liczebność gatunków takich jak: lelek, bocian czarny, derkacz, dzięcioł średni, jarzębatka czy dudek sytuuje ten obszar na wysokiej pozycji wśród ptasich ostoi w Polsce. Z grupy gatunków migrujących spotykamy na tym terenie m.in. cyraneczkę, krogulca, samotnika, krętogłowa, dzięcioła zielonego, srokosza. Liczebności tych ptaków osiągają tu wielkość 1% i więcej populacji krajowej.
Spośród 18 krajowych gatunków płazów na terenie Puszczy Kozienickiej stwierdzono 13 gatunków, w tym – kumaka nizinnego i traszkę grzebieniastą. Fauna gadów reprezentowana jest przez sześć gatunków. Osobliwością tego obszaru jest populacja żółwia błotnego.
Niezwykle bogaty jest tutejszy świat bezkręgowców. Jednym z najbardziej interesujących gatunków jest rak szlachetny, który posiada tu najliczniejszą w Polsce centralnej, stabilną populację. Ten przedstawiciel krajowych dziesięcionogów figuruje w Światowej Czerwonej Księdze Zwierząt oraz w polskim jej odpowiedniku. Obszar Puszczy jest jedną z najważniejszych na Mazowszu ostoją dla populacji rzadko spotykanych na niżu ślimaków z rodziny poczwarówkowatych – poczwarówki zwężonej i jajowatej.
Rozmaitość środowisk oraz obecność dobrze zachowanych powierzchni leśnych z starodrzewem wpływają na bogactwo gatunkowe owadów. W obrębie Puszczy Kozienickiej stwierdzono: pachnicę dębową, zgniotka cynobrowego, czerwończyka nieparka, czerwończyka fioletka oraz modraszka telejusa. Do osobliwości tego obszaru należy występowanie sawczynki piaskowej. Poza istniejącym stanowiskiem w Puszczy Kozienickiej ten wymierający gatunek nie był notowany na terenie kraju od kilkudziesięciu lat. Do wyjątkowo rzadkich owadów w Polsce zaliczyć można smukwę kosmatą. Oba gatunki figurują w Polskiej Czerwonej Księdze Zwierząt. Bardzo bogata w Puszczy Kozienickiej jest fauna chrząszczy z rodziny bogatkowatych oraz kózkowatych
Najcenniejsze i najbardziej naturalne ekosystemy Kozienickiego Parku Krajobrazowego i jego otuliny, zostały objęte ochroną jako rezerwaty przyrody. Jest ich 15 i reprezentują najciekawsze i najbogatsze zbiorowiska roślinne, często z około 200-tu letnimi drzewostanami. Łącznie zajmują 1267,92 ha. Śródleśne bagna, oczka wodne i torfowiska o łącznej powierzchni 335,28 ha uznano za użytki ekologiczne. Ochroną pomnikową objętych jest tu 261 obiektów. Są to drzewa rosnące pojedynczo i w grupach, jedna aleja lipowo – kasztanowa, 2 krzewy, głaz narzutowy oraz 3 stanowiska bluszcza zwyczajnego.
Ze względu na wyjątkowe walory przyrodnicze Puszcza Kozienicka została włączona do Europejskiej Sieci Obszarów Chronionych Natura 2000 jako Obszar Specjalnej Ochrony Ptaków (OSO) „Ostoja Kozienicka” PLB 140013 i Specjalny Obszary Ochrony (SOO) „Puszcza Kozienicka” PLH 140035.