Esta Comunidad conserva uno de los principales patrimonios faunísticos de Europa entera. Varias especies en peligro de extinción o ya extinguidas en otros puntos de la geografía peninsular como el urogallo, el oso, el lobo o el rebeco, se conservan en las inmediaciones de Los Ancares y la zona leonesa de los Picos de Europa. Otras de singular interés zoológicos son las sierras de: la Culebra (Zamora), con la única población estable de lobos de la Península Ibérica; Gredos (Ávila), cuyos roquedos transitan uno de los tesoros de la fauna española, la cabra hispánica y por donde vuela el buitre leonado; y la Demanda (Burgos), con abundante población de jabalíes y pequeños depredadores como la gineta y el gato montés.
La vegetación castellanoleonesa es muy variada y diferente en las distintas zonas naturales de la Comunidad. En la estepa queda una tímida presencia de sabinas y encinas solitarias. En el bosque atlántico encontramos especies forestales de hoja caduca como los frondosos hayedos, que a su vez cobijan ejemplares de tejo, serbal, mostajo, acebo y abedul. También son comunes el roble albar, el carballo, el fresno, el tilo, el castaño, el abedul, el rebollo y el pinar de Lillo. En el Sistema Central hallamos encinares, castaños y pinares repoblados por el hombre para sustituir a los antiguos robledales. Por último, en la dehesa castellana, tierra similar a las grandes sabanas africanas, predominante en las comarcas de Ciudad Rodrigo y Saelices (Salamanca), son frecuentes las encinas, alcornoques, quejigos y rebollos. Estos árboles se combinan en la dehesa con vegetación arbustiva típica de zonas mediterráneas, como madroños, lentiscos, esparragueras, madreselvas, espinos y distintas variedades de gramíneas y leguminosas.