Lo abrupto y escarpado de la topografía, con desniveles tan grandes que llegan a superar los 2,000 metros en unos pocos kilómetros, y las variaciones climáticas contrastantes producen en la sierra una excepcional riqueza y diversidad biológica. En ella abundan la flora y la fauna endémicas, es decir que no se encuentran en ninguna otra parte del mundo.
Las mesetas están cubiertas por extensos y hermosos bosques donde predomina el pino, aunque también se multiplican los encinos, álamos, juníperos (llamados localmente táscates), alisos y madroños. Existen 15 especies de pino y 25 de encinos. Majestuosos los bosques de Guadalupe y Calvo, Madera y la región de Basaseachi, nos ofrecen hacia la entrada del otoño una vista extraordinaria, cuando los álamos y los alisos, antes de perder sus hojas, adquieren tonos amarillos, naranjas y rojizos que contrastan con el verdor de los pinos, encinos y juníperos. En el verano florece toda la sierra y se llena de colores, es entonces cuando se manifiesta con mayor exuberancia la diversidad de su flora. Muchas de las flores, abundantes en esta época, son usadas por los tarahumaras en su medicina tradicional y alimentación.
Existe una sucesión de comunidades vegetales desde las alturas medias de la sierra hasta las profundidades de las barrancas donde proliferan matorrales. Diversos árboles y cactáceas: mauto, chilicote, ocotillo, pitaya, cardón, tabachín, gatuño, agaves, el sotol, y muchas otras especies. En las zonas húmedas se encuentran especies como la ceiba, higueras, guamuchil, carrizos, burseras y lianas o bejucos, entre otras.
La fauna de las Barrancas del Cobre convive en hábitats templados o calientes. Casi el 30% de las especies de mamíferos terrestres registrados en México, se han localizado en esta sierra, distinguiéndose: el oso negro, el puma, la nutria, el venado cola blanca, el lobo mexicano considerado en peligro de extinción, el jabalí, el gato montés, mapache, el tejón o cholugo y el zorrillo listado, además de numerosas especies de murciélagos, ardillas y liebres.
Se han registrado 290 especies de aves: 24 de ellas endémicas y 10 en peligro de extinción como la guacamaya verde, la cotorra serrana y la coa. En las partes más aisladas aún se percibe el vuelo del águila real y el halcón peregrino. Entre las aves se encuentran los pájaros carpinteros, guajolotes silvestres, codornices, zopilotes y el cenzontle. En el invierno llegan miles de aves migratorias, especialmente gansos y patos que huyen del intenso frío del norte de los Estados Unidos y Canadá. Cuenta también con 87 especies de reptiles y 20 de anfibios, de las primeras 22 son endémicas y de las segundas 12 tienen también este carácter.
Existen 50 especies de peces de agua dulce, algunas son comestibles como latrucha arco iris, la lobina negra, la mojarra, la sardina, el bagre, la carpa y el charal.