En este municipio se alternan los ambientes de transición atlánticos y mediterráneos con praderías ricas en diversas especies de orquídeas y bosques de roble melojo. Revisten especial interés el Alto del Bardal, poblado por robles, entre los cuales puede verse el venenoso acónito amarillo, y el monte Endino, cuya ladera norte está cubierta por un hayedo que cerca hacia la cumbre una línea de avellanos. En su pico, un roquedo de arenisca, crecen la armeria, la siempreviva y la griñolera. Por otra parte, en el río Camesa se puede ver un atractivo bosque de ribera poblado por sauces y chopos.

En cuanto a las especies animales, en Valdeolea hay mamíferos como el lobo, el jabalí, el tejón y el corzo. Atendiendo a las aves, pueden observarse el alimoche y el buitre leonado en los roquedos; el azor, el águila calzada y la leonada en las praderas y bosques; el camachuelo común, el pizón común, el carbonero garrapinos, el papamoscas cerrojillo, el chochín, el mosquitero común, la curruca capirotada, la lavandera común y cascadeña y el mirlo acuático en los bosques que flanquean los cursos fluviales; y la urraca, el jilguero, el acentor común, el estornino negro, el alcaudón real, el trepador azul, el mirlo, el zorzal charlo y el escribano cerillo en los melojares. Asimismo, ha de subrayarse que en el río Camesa abundan el cangrejo señal (cangrejo americano) y las culebras de agua.

Además, el límite norte del término de Valdeolea señala uno de los extremos de la Reserva Nacional de Caza del Saja, una de las mayores de España, con 180.186 ha (124.371 forestales entre 176 montes de utilidad pública), una tercera parte de la región.