A szinte teljes mértékben erdő borította Bükki Nemzeti Park egyik legkülönlegesebb helye az őserdő, melynek bükkfái 180-200 évesek. E famatuzsálemek között több mint egy évszázada nem végeznek erdőművelési tevékenységet. A bükki erdők közül a legelterjedtebbek a cseres-tölgyesek, amelyeket a magasabb régiókban gyertyános-tölgyesek követnek, hatszáz méter feletti magasságban pedig hegyvidéki bükkösök találhatók.
Fokozott védelmet élveznek a meredek, északi, sziklás dolomit-mészkő törmeléklejtők kis termetű, göcsörtös fákból álló sziklai bükkösei, amelyek számos jégkorszaki maradványfajnak és növényritkaságnak is otthont adnak. Ilyen például az egzotikus szépségű boldogasszony papucsa, a nemzeti park területén élő 53 orchideafaj egyike. A legmeredekebb nyugati sziklaoldalak hársas-berkenyés maradványerdeiben számos alhavasi növényfaj is él. A fennsíkok karsztformákkal tagolt, legeltetett rétjeinek jellegzetes ékessége a nemzeti park emblémájában is szereplő szártalan bábakalács. A Bükk dolomitján megtelepedett sziklagyepek legértékesebb társulása pedig a tarka nyúlfarkfüves sziklagyep, amely csupán egy kisebb összefüggő területen található a hegységben.
A nemzeti parkban a hiúz is felbukkan időnként
A magyar mondavilágból ismert kerecsensólyom a Bükk vidékének féltett madártani ritkasága, de a sziklai élőhelyek, valamint az elhagyott kőbányák olyan emblematikus madarak számára is költőhelyül szolgálnak, mint az uhu, a holló vagy a kövirigó. Több nappali ragadozó madár is a térség kiemelkedő állattani értékei közé tartozik, köztük a parlagi és a békászósas vagy a kígyászölyv. Énekesmadaraink közül a kövi- és a vízirigó, valamint a kis őrgébics él itt. A hazánkban honos denevérfajok szinte mindegyike előfordul a Bükkben, köztük a hosszúszárnyú denevér, amely kizárólag barlangokban él és telel.
A nagyvadak közül gyakori a gímszarvas, a muflon és a vaddisznó, de századunk elején megjelent és szaporodni kezdett a farkas is. A nemzeti park emblematikus ragadozójának, a hiúznak egy kisebb populációja él az erdőségekben, míg rokona, a szintén óvatos vadmacska jóval népesebb létszámban lelhető fel a vidéken. A park bővizű patakjaiban a sebes pisztráng él, míg a völgyekben fekvő erdei tavacskákban, mélyebb vizű pocsolyákban tanyázik az alpesi gőte és a sárgahasú unka.
