Per vaivadiją bėga daugelio Šiaurės, taip pat Vidurio ir Vakarų Europos augalų ir gyvūnų rūšių ribos. Čia aptinkama 1000 induočių augalų rūšių (tarp jų 26 rūšys medžių, 55 rūšys krūmokšnių, 14 rūšių žolinių augalų ir 37 rūšys papartynų), 300 rūšių lapsamanių ir kerpsamanių, daugiau kaip 350 rūšių kerpių ir per 3000 rūšių grybų. Verta dėmesio per dvidešimt rūšių medžių grupių, tarp kurių vyrauja pušis ir eglė. Turtingas taip pat gyvūnų pasaulis. Čia yra daugiau negu 60 rūšių žinduolių, per 260 rūšių paukščių, 7 rūšys roplių, 12 rūšių varliagyvių, 27 rūšys žuvų, taip pat 9000 rūšių vabzdžių. Ypatingą reikšmę turinti rūšis - tai stumbras, kuris gyvena dviejose kaimenėse natūralioje girioje: Knyšyno (15 vnt.) ir Bialoviežos (300 vnt.). Vertas dėmesio didžiausias graužikų atstovas - bebras (apie 1000 vnt.), šiuo metu paplitęs visoje vaivadijoje. Čia taip pat paplitę reti arba tokie, kuriems gresia pavojus išnykti šalies mastu ir netgi Europos, paukščiai (kurtinys, tetervinas, žuvininkas, meldinė nendrinukė). Išskirtinai didelė yra baltojo gandro populiacija, siekia apie 6000 porų.
Beveik 32 % vaivadijos ploto apima įvairios apsaugos formos, kas suteikia Palenkės vaivadijai vietą priekyje šalies mastu. Čia veikia:
• 4 nacionaliniai parkai: Bialoviežos, Biebžos, Narvės ir Vygrių, kurių bendras plotas - 92031 ha,
• 3 kraštovaizdžio parkai: Lomžos Narvės slėnio kraštovaizdžio parkas, Knyšyno girios kraštovaizdžio parkas, Suvalkų kraštovaizdžio parkas, kurių bendras plotas - 88084,5 ha,
• 85 gamtos rezervatai, kurių bendras plotas - 3085 ha,
• 15 saugomo kraštovaizdžio plotų, kurių bendras plotas 47176 ha,
• 249 ekologiškai dirbama žemė, kurios bendras plotas – 3085 ha,
• gamtos-kraštovaizdžio kompleksas, bendras plotas - 60 ha,
• 2 dokumentacijos postai, kurių bendras plotas - per 0,6 ha,
• 2038 gamtos paminklai.