Mặc dù hầu hết lãnh thổ là bán khô hạn hoặc hoang mạc, song Úc sở hữu các môi trường sống đa dạng từ những bãi hoang núi cao đến rừng mưa nhiệt đới, và được công nhận là một quốc gia đa dạng sinh học siêu cấp. Các loại nấm điển hình cho sự đa dạng này; tổng số loài nấm xuất hiện tại Úc, bao gồm cả những loài chưa được phát hiện, được ước tính là khoảng 250.000 loài, trong đó chừng 5% đã được mô tả.[114] Do là lục địa có tuổi lâu năm, các hình thái thời tiết thay đổi cực độ, và cô lập lâu dài về địa lý, phần lớn quần thể sinh vật của Úc có sự khác biệt và đa dạng. Xấp xỉ 85% loài thực vật có hoa, 84% loài thú, trên 45% loài chim, và 89% loài cá ven bờ và vùng ôn đới là loài đặc hữu.[115] Úc là quốc gia có số loài bò sát lớn nhất thế giới, với 755 loài.[116]

Rừng tại Úc chủ yếu gồm các loài cây thường xanh, đặc biệt là các loài cây bạch đàn tại những vùng ít khô hạn, các loài keo thay thế địa vị chiếm ưu thế của chúng tại các vùng khô hạn hơn và các hoang mạc.[117] Trong số các động vật nổi tiếng của Úc có các loài đơn huyệt (như thú mỏ vịt và thú lông nhím); một loạt loài thú có túi bao gồm kangaroo (chuột túi), koala (gấu không đuôi), và Vombatidae (gấu túi), và các loài chim như đà điểu châu Úc và chim bói cá kookaburra.[117] Úc là nơi có nhiều loại động vật nguy hiểm, bao gồm một số loài rắn độc nhất trên thế giới.[118] Người Nam Đảo đưa chó Dingo đến Úc- giống người này trao đổi mậu dịch với thổ dân Úc- khoảng năm 3000 TCN.[119] Nhiều loài động thực vật bị tuyệt chủng ngay sau khi những người đầu tiên đến định cư,[120] bao gồm quần thể động vật cỡ lớn Úc (Australian megafauna); nhiều loài khác biến mất sau khi người châu Âu đến định cư, trong số đó có Thylacinus cynocephalus (sói túi).[121][122]

Nhiều vùng sinh thái của Úc, cùng các loài trong những vùng đó, bị đe dọa do các hoạt động của con người và các loài động vật, tảo, nấm, và thực vật xâm nhập.[123] Đạo luật Bảo vệ môi trường và bảo toàn tính đa dạng sinh học 1999 cấp liên bang là khuôn khổ pháp lý cho việc bảo vệ các loài bị đe dọa.[124] Nhiều khu bảo tồn được lập ra theo Chiến lược quốc gia về bảo toàn tính đa dạng sinh học của Úc để bảo vệ và bảo tồn các hệ sinh thái độc đáo;[125][126] 65 vùng đất ngập nước được liệt vào Công ước Ramsar,[127] và 16 di sản tự nhiên thế giới được công nhận.[128] Úc xếp hạng 51/163 thế giới trong Chỉ số thành tích môi trường 2010.[129]

Trong những năm gần đây, biến đổi khí hậu trở thành một mối quan tâm ngày càng tăng lên tại Úc, và bảo vệ môi trường là một vấn đề chính trị lớn.[130][131] Năm 2007, Nội các đầu tiên của Thủ tướng Kevin Rudd ký vào văn kiện phê chuẩn nghị định thư Kyoto. Tuy thế, lượng phát thải cacbon điôxít đầu người của Úc nằm trong hàng cao nhất trên thế giới, chỉ thấp hơn một vài quốc gia công nghiệp hóa khác.[132] Lượng mưa tại Úc tăng nhẹ trong thế kỷ qua, cả trên quy mô toàn quốc và hai góc phần tư của quốc gia.[133] Hạn chế nước được tiến hành thường xuyên tại nhiều khu vực và thành thị của Úc, mục đích là nhằm đối phó với tình trạng thiếu hụt nước kinh niên do dân số thành thị tăng lên và hạn hán cục bộ.[134][135]