На территории заповедника произрастает около 1000 видов растений, в том числе и редких, занесенных в Красную книгу России (венерин башмачок, ятрышник шлемовидный из семейства орхидных и другие). Но ядром заповедника, ради которого он был и создан, являются участки степной растительности в окружении сосновых боров, расположенных на самом юге заповедника. Это так называемая уникальная «окская флора» или Долы. Здесь можно увидеть такие редкие для Подмосковья растения как ковыль перистый, типчак, тюльпан Биберштейна, русский рябчик и многие другие растения степной зоны. Ученые до сих пор спорят о происхождении этих растений.
В заповеднике обитает 54 вида млекопитающих. Распространены характерные для Русской равнины лось, кабан, куница, ласка, барсук, заяц. Изредка заходят волк и рысь. Восстановлен бобр, завезена косуля, успешно акклиматизирован пятнистый олень и енотовидная собака, завезенные из Дальнего Востока.
С 1948 г. в заповеднике существует Центральный зубровый питомник - научный и методический центр советского зуброводства. За годы работы из него вывезено в леса Кавказа, Карпат, Литвы и других районов страны более 160 беловежских и кавказско-беловежских зубров для восстановления численности этого вида в местах былого распространения.
В богатой фауне птиц заповедника насчитывается 137 видов (из них более 100 видов гнездится): осоед, змееяд, канюк, ястреб-перепелятник, скопа, тетерев, глухарь, рябчик, серая куропатка, бекас, вальдшнеп, клинтух, вяхирь, филин, козодой, желна, большой пестрый дятел, иволга, грач, большая синица, поползень, пищуха, мухоловка-пеструшка, дрозды, пеночка-весничка, желтоголовый королек, лесной конек, скворец, щегол и др.
Из пресмыкающихся встречены прыткая ящерица, гадюка, уж, веретеница и др.
Среди насекомых немало редких видов - бабочки Мнемозина, махаон, аполлон и др.
Заповедником произведены инвентаризация и детальное картирование основных физико-географических компонентов среды (геоморфологии, рельефа, почв), флоры и фауны позвоночных. Изучается экология важнейших видов животных. Ведутся наблюдения за динамикой компонентов важнейших естественных экосистем.
Страусиная ферма
