В растительном покрове острова более 1300 видов, из них 88 эндемичные. В распределении почвенно-растительного покрова отчетливо прослеживается высотная поясность.
На поймах рек широко распространены луга, чередующиеся с рощами из чозении, тополя и сахалинской ивы. Пониженные сырые места занимают обычно осоково-вейниковые луга. На лучше дренированных участках пойм широко распространены вейниково-разнотравные луга. В отличие от пойменных лугов материковых областей разнотравье здесь представлено очень высокими травами, такими, как сахалинская гречиха, шеламайник, крапива, белокопытник и др. Высокотравные луга весьма характерны для Сахалина, а еще в большей степени для Курил и Камчатки.
Северосахалинскую низменность, террасы межгорных равнин и нижние части склонов занимают светлохвойные лиственничные леса с подзолистыми почвами. В северной части острова на Северосахалинской низменности они сильно заболочены, преобладают сфагновые редкостойные лиственничники с подлеском из кедрового стланика и березки Миддендорфа на подзолисто-болотных и болотных почвах.
На горных склонах Сахалина господствуют темнохвойные леса охотского типа, главным образом из ели мелкосемянной и пихты сахалинской и Майры с подзолистыми почвами. Эти леса на крайнем юге местами переходят в смешанные пихтово-елово-широколиственные, с бурыми горно-лесными почвами. С высоты 700—800 м в горах располагается полоса елово-каменно-березо-вых лесов с очень обильным подлеском из курильского бамбука. Еще выше (900—1000 м) преобладают чистые каменно-березо-вые леса, в подлеске которых также много бамбука. С высоты 1000—1200 м начинаются густые заросли кедрового стланика, золотистого рододендрона, березки Миддендорфа. На юге острова в этом поясе преобладают сплошные заросли курильского бамбука. Лесами и кустарниками занято на Сахалине около 60% территории.
Фауна Сахалина относится в основном к охотско-камчатскому типу, на юге острова обитают представители маньчжурской фауны, есть ряд молодых эндемичных видов, образовавшихся после отделения острова от материка (хорошо отличающийся подвид дикуши, сахалинский соболь и пр.). Вблизи Сахалина проходят пути сезонных миграций морских зверей и рыб, а также пути перелета птиц. На морских побережьях есть лежбища тюленей, а на острове Тюленьем — лежбище морского котика. На скалистых берегах встречаются птичьи базары (кайры, чистики, глупыши, бакланы).