Флора музея-заповедника «Томская писаница» очень богата и разнообразна. На территории этого заповедника находится более четырех сотен видов высших растений — которые составляют более четверти всей флоры Кемеровской области. 5 видов деревьев и кустарников, произрастающих в этом заповеднике, являются третичными реликтами, а ковыль перистый внесен в Красную книгу. Около сорока видов являются достаточно редкими и находятся под охраной.

Более 90% территории музея-заповедника «Томская писаница» — великолепный сосновый бор. Вдоль реки Писаная находятся пойменных ивняков, а на южных склонах коренного берега Томи — степные сообщества.

На территории заповедника можно встретить такие растения, как папоротник-орляк, осока большехвостая, грушанка круглолистная, бубенчик лилиелистный, несколько десятков различных луговых трав. На скалах можно встретить и такие редкие растения, как гвоздика разноцветная, ковыль-волосатик, лук-слезун, чабрец – богородская трава, фиалка скальная.

Животный мир заповедника не менее богат. Зимой можно встретить волков и рысей, по всей территории распространены лоси. Постоянными обитателями уникального музея-заповедника являются норка, лиса, бурундук, ласка, горностай. В общей сложности на территории заповедника проживает более 150 видов птиц, 60 из которых постоянно гнездящиеся, остальные встречаются во время зимовок и перелетов.

Множество птиц, занесенных в «Красную книгу» — сапсан, сокол, балабан, а в зимнее время встречаются и такие красавцы, как снегири и полярная сова. В заповеднике водятся два вида ядовитых змей — гадюка и щитомордник, интересными являются живородящая ящерица и остромордая лягушка.