W najniżej położonych partiach doliny występuje podgórski łęg jesionowy (głównie jesion wyniosły, olsza, jawor), wyżej położone są siedliska olszynki karpackiej (olsza szara i czarna, wierzba krucha), a siedliska dolnoreglowe zajmuje jaworzyna górska (buk, jawor i jesion). Największą przestrzeń zajmuje jednak żyzna buczyna karpacka (zdominowana przez buki), spotykana tu również w postaci podgórskiej z większą ilością gatunków niżowych. Ponadto w dolinie występuje buczyna kwaśna, dolnoreglowy bór jodłowo-świerkowy oraz świerkowe bory górnoreglowe.
Flora roślin naczyniowych Doliny Wapienicy liczy ponad czterysta gatunków, spośród których dwadzieścia jeden jest objętych całkowitą lub częściową ochroną. Istnieje tu również wiele drzew o wymiarach pomnikowych, z których większość znajduje się w rejonie Żydowskiego Potoku.
Występują tu zarówno popularne w Beskidach sarny, jelenie, dziki i lisy, jak i kuny, gronostaje czy nietoperze. W Dolinie Wapienicy zaobserwowano ponad sześćdziesiąt gatunków ptaków, w tym wysokogórskie jak: drozd obrożny, orzechówka, siwerniak, dzięcioł trójpalczasty oraz głuszce. W rzece Wapienicy żyją pstrągi i głowacze. Występują tu także liczne gatunki owadów, płazów i gadów.