Thiểm Tây có nhiều loài động vật có xương sống trên cạn hoang dã quý hiếm, tỉnh này hiện có 604 động vật hoang dã: 380 loài chim, 147 loài thú. Ngoài ra, Thiểm Tây còn có 77 loài lưỡng cư và bò sát. Trong số các loài động vật hoang dã tại Thiểm Tây, có 69 loài được xác định là loài nguy cấp, gấu trúc lớn, voọc mũi hếch, Trâu rừng Tây Tạng, Cò quăm mào Nhật Bản và 16 loài khác được xếp vào danh mục động vật được bảo hộ cấp quốc gia tại Trung Quốc.

Thiểm Tây cũng có sự phong phú và đa dạng về chủng loại thực vật, Thiểm Tây có 12.266.700 ha đất rừng, tỷ lệ che phủ rừng đạt 41,4%. Diện tích rừng tự nhiên của Thiểm Tây là 5.494.300 ha, chủ yếu phân bố tại vùng núi Tần Lĩnh-Đại Ba Sơn, Quan Sơn, Hoàng Long Sơn và Kiều Sơn. Vùng núi Tần Lĩnh-Đại Ba Sơn còn được gọi là "ngân hàng gen sinh vật" với 3.300 loài thực vật có hạt tự nhiên, chiếm 10% toàn Trung Quốc. Thiểm Tây có 30 loài thực vật quý hiếm và 800 loài cây có thể dùng làm dược liệu, mi hầu đào Trung Hoa (Actinidia chinensis), sa cức (Hippophae), giảo cổ lam, Phú Tây trà là những nguồn tài nguyên thực vật có giá trị lớn. Táo tàu, óc chó, trẩu trơn là các sản phẩm xuất khẩu truyền thống của Thiểm Tây. Các loài cây dùng làm dược liệu trên địa bàn Thiểm Tây như thiên ma (Gastrodia elata), đỗ trọng (Eucommia ulmoides), khổ hạnh nhân (Semen Armeniacae Amarum), cam thảo (Glycyrrhiza uralensis) có địa vị quan trọng tại Trung Quốc. Đến năm 2012, Thiểm Tây có 78 công viên rừng với tổng diện tích 304.800 ha.[26] Vùng thảo nguyên của Thiểm Tây chủ yếu là thảo nguyên ôn đới, phân bố tại Thiểm Bắc, tạo điều kiện phát triển chăn nuôi gia súc.