Đồng Nai là một trong những tỉnh có đa dạng sinh học (ĐDSH) phong phú nhất khu vực Đông Nam bộ.  Trên địa bàn tỉnh có các hệ sinh thái đặc trưng của rừng, vùng đất ngập nước, rừng ngập mặn, sông hồ; động, thực vật đa dạng với nhiều nguồn gen quý hiếm.

Trên địa bàn tỉnh có 9 khu vực có ĐDSH cao, trong đó, Vườn quốc gia Cát Tiên đứng đầu. Tại đây có nguồn gen phong phú về số lượng, thành phần các loài, đặc biệt là các loài động vật quý hiếm có tên trong Sách đỏ Việt Nam và thế giới. Thống kê năm 2021, Vườn quốc gia Cát Tiên có hơn 1,6 ngàn loài thực vật, trong đó 28 loài thuộc danh mục quý hiếm và hơn 1,7 ngàn loài động vật với 65 loài quý hiếm.

Đứng thứ hai là Khu Bảo tồn thiên nhiên - văn hóa Đồng Nai có 1,5 ngàn loài thực vật và hơn 1,8 ngàn loài động vật. Ngoài ra, hồ Trị An và các sông hồ khác cũng có hàng trăm loài thủy sinh.

Điểm đặc biệt của 2 khu vực nói trên là đều có các khu đất ngập nước nên ĐDSH có cả trên cạn lẫn dưới nước. Đồng thời, hai nơi này đều nằm trong vùng lõi (vùng được bảo vệ nghiêm ngặt) của Khu Dự trữ sinh quyển thế giới Đồng Nai đã được UNESCO công nhận năm 2011.

Ngoài ra, còn 7 khu vực có ĐDSH nằm rải rác ở các địa phương, chủ yếu là nơi có rừng. Chẳng hạn như rừng ngập mặn Long Thành - Nhơn Trạch có các loài thủy sinh đặc trưng của vùng nước lợ; núi Chứa Chan (H.Xuân Lộc) có quần thể voọc chà vá chân đen…

Có ĐDSH phong phú là do tỉnh đã tiến hành đóng cửa rừng tự nhiên từ hơn 20 năm trước nhằm nâng cao hiệu quả công tác quản lý, bảo vệ. Tỉnh huy động nhiều nguồn để thực hiện các chương trình, dự án bảo tồn, phát triển giá trị ĐDSH. Công tác tuyên truyền, nâng cao nhận thức cộng đồng về bảo tồn ĐDSH cũng được chú trọng.