Um verdadeiro hotspot internacional de biodiversidade, concentrando uma excecional variedade de ecossistemas e paisagens que integram cerca de 40% da flora portuguesa. A sua singularidade resulta da convergência de três elementos florísticos — euro-atlântico, mediterrânico e macaronésico — que, aliados ao relevo acidentado e aos microclimas, originam um verdadeiro efeito de mosaico ecológico. Entre as cerca de 1400 espécies vegetais identificadas, destacam-se várias incluídas no Anexo II da Diretiva Habitats, bem como endemismos exclusivos da Arrábida, como a Euphorbia pedroi e o Convolvulus fernandesi.
A Arrábida abriga formações vegetais únicas, incluindo carvalhais de Quercus faginea, maquis mediterrânico e matas de carrascos e adernos (Phillyrea latifolia), de valor excecional para a conservação. O território constitui ainda o único local nacional com o habitat 5320 (formações baixas de euforbiáceas em falésias) e um dos poucos com bosques de zambujeiro e alfarrobeira (habitat 9320). Os prados calcários ricos em orquídeas, as subestepes de gramíneas e as florestas aluviais de amieiros e freixos reforçam a importância ecológica da área.
A fauna terrestre inclui cerca de 200 espécies de vertebrados — 12 anfíbios, 17 répteis, 34 mamíferos e 136 aves — e uma notável diversidade de invertebrados, com várias espécies endémicas, como Geocharis boeiroi e Candidula setubalensis.
Na componente marinha, a Reserva integra o Parque Marinho Professor Luiz Saldanha, onde se registam mais de 2000 espécies, funcionando como maternidade natural para peixes e crustáceos, e sustentando cadeias tróficas recuperadas após a criação de zonas de proteção total e parcial. Destaca-se a população residente de roaz-corvineiro (Tursiops truncatus), única no país, cuja conservação é prioritária.