V NP Poloniny je veľmi bohatá fauna a flóra a to najmä preto, lebo sa tu streida pásmo Východných Karpát a pásmo Nízkych Beskýd. Pre túto rozmanitú prírodu a kvoli jej ochrane zriadilo UNESCO v roku 1990 v západnej časti Východných Karpát Medzinárodnú biosférickú rezerváciu. Ide o najväčšiu biosférickú rezerváciu v Európe a o prvú trilaterálnu biosférickú rezerváciu na svete. Stupeň zachovanosti prirody a biologickú diverzitu územia
dokumentuje aj výskyt 1010 druhov vyšších rastlín, 342 druhov  machorastov, 210 druhov lišajníkov a 1207 druhov húb. Z tohto  počtu je 64 druhov zaradených do Červenej knihy Slovenskej  republiky, 89 druhov je chranených a 325 je kriticky ohrozených,  ohrozených a vzacných.

Lesy
Pre Poloniny sú charakteristické bukové a bukovo-jedľové lesy. Zaujímavé sú najmä aj 400 rokov staré jedle, buky a javore. Tieto lesy zaberajú 80% Prz celkovej plochy NP.

Kvetena
Pre územie národného parku sú tiež charakteristické horské lúky - poloniny, ktoré sa nachádzajú na hlavných hrebeňoch Bukovských vrchov. Najkrajšie z nich sa nachádzajú v okolí Pľaše, Ďurkovca, Riabej skaly a Kamennej lúky. Príslušnosť územia národného parku k Východným Karpatom sa prejavuje vo výskyte východokarpatských druhov rastlín, živočíchov a ich spoločenstiev, z ktorých viaceré sú endemity. Z rastlín k najvýznamnejším východokarpatským endemitom patrí napr. iskerník karpatský, hadomor ružový, klinček bradatý, fialka dácka, mliečnik Sojákov.

Fauna
Vysokou biologickou rôznorodosťou sa vyznačuje i fauna Národného parku. Výskumom je tu potvrdený výskyt 4488 druhov bezstavovcov, z toho 2254 druhov dvojkrídlovcov, 746 druhov motýlov, 1163 druhov chrobákov a 325 druhov pavúkovcov. Zo stavovcov tu žije 293 druhov, z.toho 19 druhov rýb, 13 druhov obojživelníkov, 8 druhov plazov, 198 druhov vtákov a 55 druhov cicavcov. Kriticky ohrozených druhov je 17, ohrozených je 74, vzácnych 21, 25 druhov vyžaduje ďaľšiu pozornosť a migrujúcich ohrozených druhov je 6. Na území NP Poloniny žije 37 endemitov Východných Karpát.

Lesná zver
V rozšírených bukových a bukovo-jedľových žije veľmi veľa druhov lesnej zveri, z mäsožravcov napríklad medveď hnedý, vlk dravý, líška ryšavá na pokojnejších miestach aj rys ostrovid a z bylinožravcov jeleň lesný, srnec lesný a sporadicky z územia priľahlého Bieszczadského národného parku v Poľsku sem preniká zubor a los.

Ryby
Tunajšie potoky a riečky sú veľmi bohaté na rôzne druhy rýb, z nich až tretina patrí medzi ohrozené druhy, napríklad hrúz Kesslerov, hrúz fúzatý, mihuľa potiská. Tieto bystriny sú také čisté, že sa v nich na trvalo usadila dokonca aj vydra riečna.