Toàn bộ Sakhalin được các cánh rừng dày đặc bao phủ, chủ yếu là thông. Vân sam Yezo (hay Yeddo) (Picea jezoensis), lãnh sam Sakhalin (Abies sachalinensis) và Dahuria (Larix gmelinii) là các loài cây chính; ở phần thượng của các ngọn núi là thông lùn Siberi (Pinus pumila) và tre Kuril (Sasa kurilensis). Các loài bạch dương, cả bạch dương bạc Siberia (Betula platyphylla) và bạch dương Erman (Betula ermanii), dương, du lá thon, anh đào dại (Prunus padus), thanh tùng Nhật Bản (Taxus cuspidata) cùng một số loài liễu và mọc lẫn với các cây thông; trong khi ở xa về phía nam là sự hiện diện của các loài phong, thanh lương trà và sồi, cũng như Panax ricinifolium, hoàng bách (Phellodendron amurense), (Euonymus macropterus) và nho (Vitis thunbergii). Tầng cây thấp có các loài cây quả mọng (ví dụ như mạn việt quất), cơm cháy quả đỏ (Sambucus racemosa), phúc bồn tử và mơ trân châu.

Gấu, cáo, rái cá và Chồn zibelin có nhiều ở Sakhalin, tuần lộc ở phía bắc, và hươu xạ, thỏ rừng, sóc, chuột cống và chuột nhắt ở khắp mọi nơi. Các loài chim giống như ở miền đông Siberi, song tại đảo có một số loài đặc hữu hoặc gần đặc hữu, đáng chú ý là Tringa guttifer và Phylloscopus borealoides có nguy cơ tuyệt chủng. Các dòng sông có nhiều cá, đặc biệt là các loài cá hồi (Oncorhynchus). Nhiều cá voi đến vùng biển ven bờ của đảo, bao gồm cá voi xám Tây Thái Bình Dương, một loài đang ở trong tình trạng cực kỳ nguy cấp. Các loài cá voi có nguy cơ tuyệt chủng khác xuất hiện trong khu vực là cá voi đầu bò Bắc Thái Bình Dương, cá voi đầu cong và cá voi trắng.