พื้นที่รอบ ๆ บึงมีพืชขึ้นอยู่หลายชนิด เช่น ยาง ตะแบกแดง ประดู่ป่า ตะเคียนทอง ส่วนบนเกาะแก่งในบึงจะพบหว้า ไทร มะเดื่อ และตะแบกนา ป่าดิบแล้งบนดอนสวรรค์ประกอบไปด้วยไม้ยืนต้นอย่างตะแบก กระบก แสมขาว พญาสัตบรรณ กันเกรา กระบาก กกสามเหลี่ยม

ริมฝั่งบึงบริเวณที่เป็นป่าและทุ่งหญ้าจะเป็นแหล่งวางไข่ของนกหลายชนิด ในบริเวณบึงพบนกอย่างน้อย 29 ชนิด โดยเป็นจำพวกนกเป็ดน้ำและนกชายน้ำ 27 ชนิด จากนกทุกชนิดที่พบ จะมีอยู่ 3 ชนิดที่เป็นนกประจำถิ่น ที่เหลืออีก 26 ชนิดเป็นนกอพยพ โดยมีนกที่อยู่ในภาวะถูกคุกคามระดับนานาชาติ คือ เป็ดดำหัวดำ ส่วนนกที่มีความสำคัญระดับชาตินั้น มีนกที่อยู่ในภาวะใกล้สูญพันธุ์ไปจากประเทศไทย คือ นกกระสาแดง นกที่อยู่ในภาวะถูกคุกคามระดับชาติ คือ เป็ดดำหัวสีน้ำตาล และนกที่อยู่ในภาวะเสี่ยงต่อการถูกคุกคาม คือ เป็ดคับแค และนกกระแตหัวเทา ส่วนนกอื่น ๆ ที่อาศัยและหากินอยู่บริเวณบึง เช่น เป็ดแดง นกยางโทนน้อย นกยางเปีย นกอีแจว เป็ดลาย

ในบึงมีปลาที่ได้รับการบันทึกแล้ว 25 ชนิด โดยมีปลาที่อยู่ในภาวะถูกคุกคาม คือ ปลาดุกด้าน ในจำนวนนี้มี 8 ชนิดที่เป็นปลาในตระกูล Cyprinidae และมี 3 ชนิดที่เป็นปลาในตระกูล Anabantidae ส่วนปลาเศรษฐกิจในบึงมีอยู่ 8 ชนิด ได้แก่ ปลากระสูบจุด ปลาตะโกก ปลาสร้อยขาว ปลาสร้อยนกเขา ปลาแขยง ปลากดเหลือง ปลานิล และปลาช่อน

บริเวณริมบึงจะปกคลุมไปด้วยดงของแห้วทรงกระเทียม กกสามเหลี่ยม และผักไผ่น้ำ กลางผิวน้ำของบึงจะพบบัวสายและบัวหลวง ส่วนใต้น้ำจะพบสาหร่ายหางกระรอก สันตะวาใบพาย และผักบุ้ง และพืชน้ำที่ขึ้นรอบ ๆ เกาะแก่งจะเป็นแพงพวยน้ำและบอน

ปัจจุบันได้ขึ้นทะเบียนเป็นพื้นที่ชุ่มน้ำเขตห้ามล่าสัตว์ป่าบึงโขงหลง นับเป็นลำดับที่ 2 ของประเทศไทย และลำดับที่ 1098 (Wetland of International Importance) ในปี พ.ศ. 2544 ในทะเบียนพื้นที่ชุ่มน้ำที่มีความสำคัญระหว่างประเทศ