La flora y vegetación de la comuna está representada por olivillo (Aextoxicon punctatum) y ulmo, (Eucryphia cordifolia) como componentes principales y quila (Chusquea quila), avellano (Gevuinia avellana), voqui naranjo (Hydrangea serratifolia), arrayán (Luma apiculata), quilineja (Luzuriaga radicans) y pitra (Myrceugenia planipes) como secundarios.
De acuerdo al Libro Rojo de la Flora y Fauna Chilena, la comuna presenta la denominada selva valdiviana de la costa, descrita como la formación vegetal más exuberante de Chile, rica en especies, densa y con varios estratos bien desarrollados. La abundancia de lluvias y la temperatura templada han permitido el crecimiento de árboles muy altos, los que alcanzan 50 a 60 m de altura.
Particularmente la comuna de Valdivia presenta fragmentos de bosque nativo de distintas superficies siempreverdes y del tipo forestal, tales como: roble, coigüe, lenga, olivillo, mañío, laurel y tineo. El estrato medio está formado por renovales de especies arbóreas y arbustos, que incluyen notro, chinchin, quila, chilca y otros. El estrato inferior lo componen helechos, musgos y hierbas. Además, numerosas trepadoras, parásitos vegetales y bromeliáceas.
En síntesis, la flora y vegetación típica se resume en: Avellano, Coigüe, Colihue, Copihue, Luma, Quila, Tineo, Arrayán, Murta, y hongos como Changle o Coral.
La fauna de la comuna se asocia a especies que habitan los humedales, siendo variadas y caracterizándose por una amplia presencia de aves acuáticas, tales como patos, taguas, zambullidores, garzas y otros grupos. También existen mamíferos, como el coipo y el huillín, además de roedores.
En ciertos humedales urbanos habita la fauna de especies introducidas y no nativas de la zona. Esta fauna presenta una gran diversidad de especies perteneciente a las categorías de aves, mamíferos, anfibios y fauna marina (invertebrada y vertebrada). Entre los mamíferos, destacan el ratoncito común, visón, chingue común, coipo.
Entre los anfibios, existe la rana grande, sapito de cuatro ojos, sapito Darwin, entre los vertebrados marinos se encuentran el puye, cauque, la pocha de los lagos. Entre los invertebrados marinos, se encuentran algas como la chicorea de mar, cochayuyo, luga – luga, pelillo, y moluscos como el caracol, trumulco, chorito, choro. Entre los crustáceos, destacan la centolla, jaiba marmola, jaiba mora, erizo, piure. Entre las aves representativas, destacan el pato jergón chico, mirlo, pato jergón grande, dormilona tontita, pequen, pato negro, aguilucho, zarapito, cisne coscoruba, pato rana picoancho, codorniz, águila pescadora, gallina ciega, peuco, jilguero, pelicano, bandurria, cernícalo, cercan, cisne de cuello negro, cormorán negro.