Park położony jest w zachodniej części Polesia, w obrębie Równiny Łęczyńsko-Włodawskiej. Obszar parku odznacza się typowym krajobrazem równinnym. Jego powierzchnia jest płaska, z dużą ilością jezior, stawów i bagien. Na terenie parku można podziwiać namiastkę tundry lub lasotundry, wysuniętą najdalej na południowy zachód w Europie. Zachowane w tym rejonie ekosystemy bagienne to obszary, które rozwijały się bez ingerencji człowieka od czasów ustąpienia ostatniego zlodowacenia.

Roślinność parku jest bardzo bogata. Obfituje w rośliny typowe dla terenów podmokłych i bagiennych. Na terenie parku występuje około tysiąca gatunków roślin naczyniowych, z czego 170 to gatunki rzadkie, 81 podlega ochronie gatunkowej, a kolejnych 15 znajduje się w Polskiej Czerwonej Księdze Roślin. Większość gatunków roślin to przedstawiciele flory północnej, wśród których często występują relikty epoki lodowcowej, na przykład brzoza niska, wierzba lapońska czy wierzba borówkolistna. Innymi roślinami północnymi są turzyca bagienna i strunowa, gnidosz królewski oraz rosiczka długolistna. Rzadkie gatunki charakterystyczne dla roślinności atlantyckiej występujące w parku to między innymi wywłócznik skrętoległy i wąkrota zwyczajna. Fauna Poleskiego Parku Narodowego obejmuje wiele rzadkich gatunków zwierząt. Liczy ona razem około 290 gatunków. Jej różnorodność wynika z ilości i różnorodności siedlisk występujących w parku. Wiele zwierząt należy do gatunków chronionych.

Bezkręgowce występujące w parku zostały jak dotąd słabo poznane, jednak wśród znanych gatunków można wymienić pijawkę lekarską, ćmę (motyla nocnego) z rodziny zawisakowatych - postojaka wiesiołkowca, mieniaka tęczowca oraz strużnika. Do cennych motyli w skali Europy tzw"naturowych" należą: przeplatka aurinia i modraszek telejus. Unikatami są trzy gatunki mrówek stanowiące relikt polodowcowy. Na łąkach parku można spotkać dużą populację tygrzyka paskowanego, zaś na torfowiskach populację bagnika przybrzeżnego.