Khí hậu ôn hòa và mưa nhiều đã tác động tích cực đến quá trình sinh trưởng của nhiều loài thực vật ở Thọ Sơn, với sự phân bổ lên đến hơn 800 loài khác nhau. Giới hạn bởi các yếu tố địa chất và địa tầng, hệ sinh thái ở vùng núi này chỉ có thể hình thành những khu rừng thứ sinh, nhưng độ tươi tốt và tính phân hóa của thảm thực vật là rất cao, đồng thời cũng hình thành một quần thể rộng lớn các loài động vật hoang dã, tiêu biểu là loài đặc hữu macaca cyclopis hay còn gọi là khỉ Formosa.

Đặc điểm của thảm thực vật ở Thọ Sơn là sự tập trung sinh trưởng trên những trầm tích rạn san hô, những nơi đất đá cằn cỗi và khe núi nhỏ. Những cánh rừng thông hầu hết là kiểu rừng nhiệt đới gió mùa, gần như vẫn còn nguyên sơ chưa hề bị khai phá. Trong rừng có nhiều loài dây leo rễ nông và rễ khí sinh. Hội đồng thành phố Cao Hùng đã cho tiến hành nhiều cuộc khảo sát và đo đạc sinh thái, những ghi nhận cho thấy điều kiện thổ nhưỡng ở phía bắc Thọ Sơn được chia thành ba loại: rạn san hô, đất sâu và đất khai hoang. Thảm thực vật bản địa ở vùng này chủ yếu là rừng thứ sinh, những cũng xen kẽ nhiều loài nhãn, cau, tre và acanthophyllum pungens. Ở vùng trung tâm, từ khi quân đội Nhật Bản chọn đây làm nơi đồn trú đã mang đến nhiều loại cây trồng khác nhau và dần dần phát triển thành những cánh rừng thứ cấp, chủ yếu là cây keo dậu hay keo tương tư như hệ quả của việc cải tạo cây lấy gỗ, khiến những loài thực vật bản địa bị xâm lấn dần và trở nên khan hiếm. Vẫn còn sót lại những cụm dướng, đa, macaranga tanarius cùng nhiều loại dây leo và cây bụi nguyên sinh khác. Vùng rừng núi phía nam thường xuyên có sự xuất hiện của con người do nằm cách trường Đại học Quốc gia Trung Sơn, Vườn thú Thọ Sơn và vịnh Tây Tử không xa, lại tồn tại nhiều loài thực vật đặc hữu như lepturus repens và dendrocnide meyeniana.

Hệ động vật ở Thọ Sơn gờm 5 loài lưỡng cư, 24 loài bò sát, 106 loài chim, 50 loài bướm, 21 loài ốc và 8 loài động vật có vú. Khỉ Formosa là loài đặc hữu tiêu biểu, sinh sống rất nhiều trong rừng, tuy nhiên cũng xảy ra những xung đột giữa chúng và con người, đặc biệt là những khách tham quan leo núi khi chúng xông vào giành thức ăn họ mang theo. Những động vật thông thường khác gồm sóc, hoẵng, cầy vòi mốc và tê tê cùng một số loài có nguy cơ tuyệt chủng. Vùng núi tây bắc ven bờ biển và bị cô cập do nằm về rìa phía nam của Cổ Sơn là nơi tập trung của rất nhiều loài thủy cầm và sáo, 70% là chim di trú hoặc chỉ nghỉ chân tạm thời. Trong số 106 loài chim có 25 loài quý hiếm sinh sống ở đây, chủ yếu thuộc họ Họa mi và họ Kim oanh. Một số loài chim đặc hữu như garrulax chinensis, lách tách má xám và khướu bụi đầu đỏ cũng được tìm thấy, chúng là những giống chim rất phổ biến tại Đài Loan. Những vùng nước cạn ở vịnh Tây Tử và cảng Cao Hùng là nơi tu tập của nhiều loài mòng biển, nhàn biển và các loài chim quá cảnh khác, đồng thời là một trong những nơi phân bố dày đặc nhiều loài chim biển đặc trưng của Cao Hùng. Về bò sát, những loài đang được bảo tồn gồm takydromus formosanus, takydromus stejnegeri, rắn hổ mang, rắn cạp nia bắc và protobothrops mucrosquamatus. Các loài bướm như troides aeacus, atrophaneura aristolochiae, bướm phượng đen, graphium agamemnon, euploea tulliolus và yoma sabina được tìm thấy ở khắp nơi. Trong quá khứ, thức ăn của nhiều giống bướm ngày là lá và mật của aristolochia, nhưng những năm gần đây do người leo núi giẫm đạp bừa bãi loại cây này mà đã ít nhiều dẫn đến sự sụt giảm mạnh về số lượng bướm ở Thọ Sơn.

Tháng 5 năm 1992, những nhà môi trường học ở Cao Hùng đã thành lập một tổ chức bảo tồn thiên nhiên gọi là "Hội Xúc tiến Công viên Tự nhiên Sài Sơn", thường gọi là "Hội Sài Sơn", nhằm mục đích thúc đẩy việc hình thành một công viên tự nhiên trong khu vực. Tháng 2 năm 1997, chính quyền thành phố Cao Hùng công bố "Đề án quản lý công viên tự nhiên Thọ Sơn", qua đó phân định phạm vi công viên là khu vực núi Thọ Sơn ở quận Cổ Sơn và một số khu vực ven biển phía tây. Trong cùng năm đó, Ủy ban Xúc tiến Công viên Tự nhiên Thọ Sơn được tổ chức và ra nghị quyết về việc thành lập cũng như các phương thức bảo tồn và quản lý, và được rà soát kỹ một lần nữa vào tháng 10 năm 2000. Trong khuôn viên công viên có một khu vực dành riêng cho việc bảo tồn khỉ Formosa, ngoài ra để hạn chế đến mức thấp nhất những ảnh hưởng tiêu cực lên hệ thực vật, một con đường mòn trải nhựa phục vụ việc leo núi được xây dựng mà không xâm hại đến bề mặt đất và chỉ đi qua những khu vực cây bụi nhỏ. Tháng 10 năm 2009, Thị trưởng Cao Hùng Trần Cúc đệ trình lên Thủ tướng Ngô Đôn Nghĩa bản báo cáo chi tiết về việc thành lập một công viên tự nhiên ở Thọ Sơn, được tư vấn bởi Sở Xây dựng và Quy hoạch dưới tên gọi "Công viên Tự nhiên Quốc gia Thọ Sơn". Nó được phê duyệt ngay sau đó và chính thức mở cửa từ ngày 6 tháng 12 năm 2011.