Po raz pierwszy pomysł utworzenia parku narodowego na Polesiu został wysunięty w 1933 przez polskiego botanika, profesora Władysława Szafera. 

Roślinność parku jest bardzo bogata. Obfituje w gatunki 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. Jej różnorodność wynika z ilości i różnorodności siedlisk występujących w parku. Na terenie Parku stwierdzono występowanie około 290 gatunków kręgowców. Wiele zwierząt należy do gatunków chronionych.

W wodach parku występuje 21 gatunków ryb. Cztery z nich: strzebla błotna, różanka pospolita, piskorz oraz koza pospolita, objęte są ochroną gatunkową.

Poleski Park Narodowy to jeden z najbogatszych w ptactwo obszarów w kraju. Stwierdzono w nim występowanie około dwustu gatunków ptaków, z których około sto pięćdziesiąt to gatunki lęgowe. Wiele z nich to ptaki tak rzadkie jak czapla biała czy czapla nadobna. Licznie występuje także bąk, osiągając największe zagęszczenie w kraju. Błotniaki łąkowe wykorzystują dużą ilość łąk. Inne rzadkie ptaki gniazdujące to na przykład derkacz, dubelt czy podgorzałka. Gnieździ się tu także bielik. Symbolem parku został żuraw. Liczne są tu także sowy wraz z największą z nich – puchaczem. Ptakiem zagrożonym wyginięciem, a występującym w parku, jest wodniczka, która tworzy tu trzecią co do wielkości populację w kraju. W wyniku programu introdukcji w parku występuje dosyć liczna populacja cietrzewi.

W bagiennych lasach można spotkać rzęsorka rzeczka. Ssaki drapieżne reprezentują łasica pospolita, gronostaj europejski, tchórz, kuna domowa i leśna, a w wodach wydra europejska. Kopytne najliczniej reprezentuje sarna europejska, której populacja na terenie parku wynosi około osiemset osobników. Występują tu także jelenie, łosie oraz dziki.