Il existe deux zones de végétation principales qui correspondent aux régions climatiques du Soudan et du Sahel. Dans la zone soudanienne, des couloirs forestiers localisés se trouvent le long de la frontière guinéenne et dans les vallées fluviales ; le reste de la zone est recouvert de savane. Les arbres comprennent le néré, ou arbre nitta à deux boules (Parkia biglobosa), le karité (Butyrospermum parkii), le cailcedra (Senegal khaya ; Khaya senegalensis) et le kapioka. L'incidence des arbres diminue vers le nord à mesure que la zone soudanienne fusionne avec le Sahel. Le Sahel se caractérise par une végétation de steppe, notamment des arbres résistants à la sécheresse tels que le baobab, le palmier doum et le palmyre. Ces arbres disparaissent également vers le nord, où poussent de courtes plantes épineuses telles que le mimosa, l'acacia et la crème-crame (Cenchrus biflorus, membre de la famille des graminées) ; toute végétation est absente dans la région de l'extrême nord du Sahara. À partir de la seconde moitié du 20e siècle, la déforestation, le surpâturage et les épisodes répétés de sécheresse ont contribué à accélérer considérablement le taux de désertification naturelle, entraînant l'empiètement du désert sur le Sahel.

La faune du Soudan et du Sahel est riche et variée. Les grands mammifères herbivores comprennent les gazelles, les antilopes, les girafes et les éléphants. Les principaux carnivores sont les lions, les panthères et les hyènes. Les rivières abritent des crocodiles et des hippopotames. On y trouve une grande variété de singes, de serpents et d'oiseaux (y compris l'autruche). Le parc national de la Boucle du Baoulé le long de la rivière Baoulé à l'ouest et la réserve animale d'Ansongo-Ménaka et la réserve d'éléphants de Douentza (Gourma) à l'est sont des sanctuaires fauniques majeurs.