Se encuentran representados ecosistemas de bosques inundables en llanura aluvial, ciénagas, bosques riparios en llanura aluvial, selva tropical en serranía aislada y bosque enano nublado en cumbre de serranía aislada.

En la literatura gris del Parque se ha reportado 105 especies de reptiles, sin embargo, al igual que con los mamíferos, no existen evidencias de registros de este número de especies al interior del Parque. Entre las especies de reptiles con registros para el Parque se encuentran las tortugas morroco (Chelonoidis carbonaria), icotea (Trachemys scripta), mordedora (Chelydra serpentina) y tapa culo (Kinosternon sp.); la babilla (Caiman crocodylus), en algunos documentos se menciona que en el área protegida se encuentra el cocodrilo Crocodylus acutus; y numerosas serpientes, entre ellas la boa (Boa constrictor) y la mapaná o talla equis (Bothrops asper). Para los anfibios se han registrado 20 especies, incluidas en nueve familias y 14 géneros.

Se han reportado alrededor de 412 especies de aves para el Parque, entre las que se destacan el pavón (Crax rubra), cuatro especies de guacamayas (Ara ararauna, Ara ambiguus, Ara chloropterus y Ara severa), la chavarría (Chauna chavari, casi endémica), el buco o bobito (Bucco noanamae, especie endémica regional); las rapaces: águila arpía (Harpia harpyja), el milano plomizo (Ictinia plumbea), gavilán pescador (Busarellus nigricollis), caracolero (Rostrhamus hamatus), Buteogallus urubitinga, entre otras. Entre estas especies se encuentran especies catalogadas a nivel nacional en riesgo de extinción.

En la literatura gris relacionada con el PNN Los Katíos se ha reportado que para el área protegida se tienen cerca de 182 especies de mamíferos, sin embargo, salvo grandes y medianos mamíferos, existen vacíos de información sobre pequeños roedores, quirópteros y marsupiales.

Para las ciénagas de Tumaradó se reportan 42 especies de peces pertenecientes a 20 familias y siete órdenes. Para la cuenca del Atrato se reportaron 134 especies (sin tener en cuenta especies de estuarios), agrupadas en siete órdenes y 30 familias. Entre las especies registradas para el Parque se encuentran la raya (Potamotrygon magdalenae), bocachico (Prochilodus magdalenae), canchana o boquiancha (Cynopotamus atratoensis), quícharo o moncholo (Hoplias malabaricus), doncella (Ageneiosus pardalis) y bagre sapo o bagre pintado (Pseudopimelodus schulzi). Algunas especies están catalogadas a nivel nacional en riesgo de extinción.

Se ha registrado flora para el área del Parque, con reporte de 669 especies botánicas repartidas en 96 familias de dicotiledóneas y 20 de monocotiledóneas. Entre estas se encuentran especies catalogadas a nivel nacional en riesgo de extinción.

Entre las seis asociaciones vegetales que se encuentran en el área, se destaca Prioria copaifera en los cativales. En las estribaciones más bajas sobresalen especies como la Ceiba (Ceiba pentandra); en las colinas altas se encuentran asociaciones con palma mil pesos (Ocnocarpus mapara), además de choíba (Dypteris oleifera), sande (Brosimun utile), ceiba tolúa (Ceiba tolua), camaján (Sterculia apetala) y lecheperra (Helicostylis tomentosa). En las llanuras aluviales inundables prosperan el buchón de agua (Eichhornia azurea), lechuga de agua (Pystia stratiotes), el arracacho (Mantrichardia cirborescens), la palma pangana (Raphia taedijera), el chachafruto (Erithina poepigiana) y el guarumo (Cecropia sp.).

El PNN Los Katíos presenta un espacio natural que es un atractivo único. Aparte de la biodiversidad y las inmensas posibilidades de avistamiento de aves, el Parque cuenta con paisajes de enorme belleza, como los saltos Tilupo, Tendal, Tendalito y La Tigra, además de las ciénagas de Tumaradó. Las diferentes etnias también representan un interés, ya que forman parte de la riqueza cultural de la región. Los Wounaan son los únicos que habitan el territorio del parque, pero los Tule, los Emberá y los afrodescendientes viven en las zonas aledañas. Por otro lado, sitios clave de los ecosistemas del área representan para las comunidades indígenas, como las de Juin Phubuur, sitios sagrados de gran importancia, lo cual quedó consignado en el Régimen Especial de Manejo (REM) con esta comunidad. Todos los anteriores se constituyen en servicios culturales de tipo espiritual, religioso, estético, de herencia cultural e identidad del sitio.

Es un ejemplo eminente de procesos ecológicos y biológicos de la evolución de los ecosistemas terrestres y dulceacuícolas con comunidades de plantas y animales.