Khu vực Tràng An có 2 dạng hệ sinh thái chính là hệ sinh thái trên núi đá vôi và hệ sinh thái thuỷ vực. Sự đa dạng sinh vật của các quần xã là một yếu tố chủ yếu cấu thành 2 hệ sinh thái này. Môi trường thiên nhiên đa dạng và hài hoà giữa sinh vật, núi rừng, hang động, thuỷ vực toát lên cảnh sắc non xanh nước biếc hoà quyện với nhau thành một vùng kỳ vĩ hiếm có trên thế giới.

Tràng An thuộc khu rừng văn hóa lịch sử môi trường Hoa Lư (rừng đặc dụng Hoa Lư) được thành lập ngày 19/05/1995. Thảm thực vật tự nhiên ở Hoa Lư là rừng trên núi đá vôi và rừng thường xanh trên đất thấp ở các thung lũng đan xen giữa các vùng đá vôi. Theo kết quả điều tra của Viện Điều tra Quy hoạch Rừng (FIPI) và Chi cục Kiểm lâm Ninh Bình, Hệ sinh thái trên cạn Tràng An với hơn 600 loài thực vật, 200 loài động vật mà trong đó có nhiều loài nằm trong sách đỏ Việt Nam. Hệ sinh thái dưới nước bao gồm khoảng 30 loài động vật nổi, 40 loài động vật đáy, trong đó có nhiều loài quý hiếm, đặc biệt là Rùa cổ sọc cần được bảo vệ.[9] Tràng An có chừng hơn 310 loại thực vật bậc cao quý hiếm như Tuế đá vôi, sưa, lát, nghiến, phong lan, hoài sơn, kim ngân, bách bộ, rau sắng, v.v. Tràng An có nhiều loài chim thú quý hiếm như sơn dương, báo gấm, chim phượng hoàng.[10]