La localización del municipio, en la zona denominada cántabro-atlántica, hace que en su flora predominen tanto los bosques de alisos, hayas y robles, como la vegetación típica localizada en las riberas de los ríos con especies como helechos, juncos, sauces, chopos, fresnos y saúcos.

Destacan también en Santa María de Cayón la extensa masa forestal de Monte Carceña, situada entre Piélagos, Castañeda, Cayón y Villaescusa que antaño estuvo ocupada por robles y que actualmente es una de las mayores extensiones de eucalipto de la región; el notable hayedo de Esles y los diez ejemplares catalogados como árboles singulares de Cantabria situados en la finca Cotubín, en Esles: dos cipreses de Lawson, dos tulíperos de Virginia de 40 m, un ciprés de Monterrey, una sequoia de 30 m, un castaño de Indias (22 m), una criptomeria y una catalpa.

La finca La Cueva de Esles reúne tres árboles ejemplares (un ciprés de Monterrey, un tilo de 35 m y un pino de 32 m).

Estrechamente vinculada a la presencia de uno u otro tipo de flora, la fauna del municipio se puede clasificar atendiendo a tres ecosistemas: bosques, monte bajo y praderas.

En los bosques se pueden localizar, entre otros, mamíferos como el jabalí, el tejón, el corzo, zorros o comadrejas y aves como carboneros y herrerillos, murciélagos, cárabos, pica pinos y gavilanes.

En la zona en la que se localiza el monte bajo habitan especies como el conejo común, la liebre, el cernícalo y la tarabilla, mientras que en las áreas de pradería viven mamíferos como la rata campestre y aves como el mirlo, la lavandera blanca o la urraca.

Cabe destacar también la fauna que habita en los márgenes fluviales, unas zonas que cobijan a especies como la culebra viperina, la lagartija ibero y la trucha.