Morro de São Paulo tem um ambiente natural riquíssimo, e considerando a idade de sua colonização, muito bem preservado. Parte considerável da ilha ainda tem sua cobertura vegetal original, seja ela mata, manguezal ou restinga. Desde 1992 as ilhas de Tinharé e Boipeba formam uma área de proteção natural, embora pouca coisa tenha mudado em função disso.
A parte mais alterada, além das pequenas áreas urbanizadas, são os coqueirais, que originalmente eram floresta. A primeira atividade comercial ligada a este ambiente remonta as origens do Brasil, com a estração da árvore que dá nome ao país, o pau-brasil. Depois, a faixa litorânea foi ocupada pelos coqueiros, que os portugueses trouxeram da Índia.
A Mata Atlântica, ainda existente, é caracterizada pela sua enorme biodiversidade. São inúmeras espécies vegetais, não somente árvores, mas também trepadeiras, bromélias, orquídeas, palmeiras e arbustos. Também há enorme diversidade de insetos e fungos, além de considerável número de aves, répteis, anfíbios e alguns mamíferos de pequeno porte. Hoje esta floresta tem um grande número de trilhas, que uma vez por ano levam os colhedores às palmeiras de piaçaba, para extração da fibra desta planta.
O manguezal, em contraste com a Mata Atlântica, tem uma diversidade vegetal ínfima: em todo o planeta há somente quatro espécies vegetais neste ambiente, sendo que aqui ocorrem apenas duas, o mangue-vermelho e o mangue-branco. As duas que não ocorrem aqui são o mangue-preto e o mangue-de-botão. Mas este ambiente, por armazenar grande quantidade de matéria orgânica, e estar sujeito à inundação da água do mar, é riquíssimo em fauna, de crustáceos, como as diversas espécies de caranguejos, os moluscos, como a lambreta e a ostra, e peixes. Grande parte das espécies de peixes consumidas pelo homem passam os períodos iniciais de sua vida abrigados nos manguezais, escondidos dos predadores do mar-aberto.
Há um outro ambiente, que à primeira vista parece pobre, mas na realidade abriga grande numero de espécies, tanto animais como vegetais, que é a Restinga. A fisionomia deste ambiente é consideravelmente variada, desde vegetação rasteira, até arbustos, banhados e florestas de porte baixo. Tem inúmeras espécies de bromélias, e se caracteriza pela influência marinha direta.
Já os coqueiras, embora originalmente tenham sido plantados, hoje, nas áreas que estão mais abandonadas, se integram bem ao ambiente natural. Muitas espécies animais circulam por suas copas. É o lugar mais fácil para se avistar os caranguejos guaiamuns, os micos e diversas aves.