Биологические сообщества заповедника слагают таежные, дубравные и лесостепные элементы флоры и фауны. К легким грунтам приурочены сосново-еловые леса с напочвенным покровом из зеленых мхов, с бореальными травами, черникой, брусникой. Пониженные участки заняты сфагновыми болотами с пушицами и болотными вересковыми кустарничками. На суглинистых почвах произрастают елово-широколиственные и широколиственные леса. Заболоченные участки заняты ольховниками. К вершинам дюн приурочены сосняки лишайниковые и остепненные. На крутом склоне, обращенным к Куйбышевскому водохранилищу, встречаются заросли вишни степной и терна, и участок ковыльника. По побережьям проток и заливов Куйбышевского водохранилища развиты сообщества водных макрофитов с доминированием рогозов и тростника. Небольшие площади заняты лугами. На территории заповедника зарегистрировано 866 видов сосудистых растений, из них: цветковых – 835 видов, голосеменных – 6, папоротников – 15, хвощей – 6, плавунов – 4 вида. Из видов, занесенных в Красную книгу РФ, охраняются неоттианта клобучковая, пальцеголовник красный, ковыль перистый. На территории заповедника также выявлено 190 видов мхов, 240 видов лишайников (в том числе занесенная в Красную книгу РФ лобария легочная), более 600 видов водорослей, около 900 видов грибов макромицетов (в том числе занесенные в Красную книгу РФ саркосома шаровидная, трутовик лакированный, грифола курчавая, трутовик разветвленный). В фауне заповедника зафиксировано 60 видов млекопитающих (в том числе занесенная в Красную книгу РФ гигантская вечерница). Отмечено 231 вид птиц, из которых 120 видов гнездится. Из видов , занесенных в Красную книгу РФ отмечены чернозобая гагара, скопа, могильник, беркут, орлан-белохвост, балобан, сапсан, кулик-сорока, большой кроншнеп, черноголовый хохотун, малая крачка, чеграва, филин, серый сорокопут, белая лазоревка. Высокую гнездовую плотность имеет орлан-белохвост. В фауне заповедника насчитывается пресмыкающихся – 6 видов, амфибий - 11, рыб – 41 вид. Выявлено около 3 тыс. видов беспозвоночных животных (по экспертной оценке – не менее 10 тыс. видов). Из насекомых, занесенных в Красную книгу РФ, встречаются пахучий красотел, пахучий отшельник, гладкая бронзовка, пчела-плотник, мнемозима, обыкновенный аполлон.