Във фитогеографско отношение Осогово се отнася към Европейската горска широколистна област, в нейната Илирийска (Балканска) провинция, като образува самостоятелен планинско-растителен район. Горите, които някога са покривали цялата планина, сега са намалели. Намалена е залесеността на водосборните басейни на реките Новоселска, Бистрица, Елешница и др. За да се ограничи ерозията са проведени залесявания по силно опороените долинни склонове. Създадени са култури от бял и черен бор, дугласка ела, бреза, липа, орех и др. Изкуствено залесен с борови гори е и популярния хълм Хисарлъка, който е разположен над Кюстендил.

Северните и североизточните склонове на Осогово са най-добре залесени. Ниските части на планината за заети от пояса на ксеротермните дъбови гори - включва съобщества на косматия дъб, смесени съобщества на цера и благуна, келявия габър, белизмата, валезиевата власатка, луковичната ливадина, садината и др. В състава на растителността участват и някои южни елементи като червена хвойна, воден габър, главеста ехинария, клипеола и др. На места ксеротермните гори са деградирали и постепенно в тях се е настанил келявият габър.

Обширен и доста компактен, особено в югоизточната част на планината, е поясът на мезофилните и ксеромезофилните дъбови и габърови гори. В него доминират почти напълно съобществата на обикновения горун. Участие в растителността му вземат също съобществата на черния бор и мизийския бук. Тревистата растителност е представена от съобщества на валезиева власатка, обикновена полевица, отчасти на садина и др.

Много добре развит и сравнително цялостен е поясът на буковите гори, в който основен компонент е обикновения бук. Срещат се също съобщества на черния бор и обикновената ела. Тревистата растителност е представена от съобществата на обикновената полевица, валезиевата власатка, чернеещата власатка и др. Съобществата на обикновения бук фактически определят и горната граница на гората, която е разположена на около 1900 м надм. в.

Над пояса на буковите гори и отчасти в самия него са разположени фрагменти от съобщества на белия бор, но оформен пояс на иглолистните липсва. В северната част на планината е запазена иглолистна гора от смърч, в централните части – остатъци от бялборови, а в южната част – предимно черборови гори (Pinus nigra).

Добре е обособен и поясът на субалпийското редколесие, клековите и хвойновите храсталаци, но с модифициран състав. Растителната му покривка е изградена от съобщества на сибирската хвойна, черната боровинка, връшняка, балканския зановец (Chamaecytisus absinthioides), картъла, чернеещата власатка и др. Участие в нея взима и синята боровинка.

В най-високите части на планината (вр. Руен, 2251 м) се срещат алпийски флорни елементи като качулатата гъжва, броловата власатка, сибалдия, цениска ливадина (Poa cenisia) и др., където формират фитоценози с малки размери.

От българските ендемити в Осогово се срещат румелийска мишовка (Minuartia rumelica), бодлив миск (Jurinea tzar-ferdinandii), българско вятърче (Jasione bulgarica), пиринска власатка (Festuca pirinensis), рилска теменуга (Viola orbelica) и др, а от балканските ендемити – панчичева пищялка (Angelica pancicii), рьомерово плюскавиче (Silene roemeri), мочурно плюскавиче (Silene asterias), балканска петлуга (Pinguicula balcanica), планинска самодивска трева (Peucedanum oligophyllum), панчичев спореж (Senecio pancicii), лятно живиниче (Scrophularia аestivalis), качулата гъжва (Sesleria comosa), босненска мишовка (Minuartia bosniaca), жълт планински крем (Lilium jankae), шимонкаев тънкокрак (Koeleria simonkaii), родопско омайниче (Geum rhodopaeum), шкорпилова ведрица (Fritillaria skorpilii), янкев лопен (Verbascum jankaeanum) и други.

В Осогово евросибирските и европейските видове преобладават значително над средиземноморските. Евросибирските и европейските видове от установените гризачи са 75%, а средиземноморските – само 19%. Широко разпространени бозайници в планината са дива свиня (Sus scrofa), язовец (Meles meles), лисица (Vulpes vulpes), вълк (Canis lupus), невестулка (Mustela nivalis), сърна (Capreolus capreolus), обикновена къртица (Talpa europaea), таралеж (Erinaceus concolor), обикновен и лешников сънливец (Glis glis, Muscardinus avellanarius), кафява горска полевка (Clethrionomys glareolus), подземна полевка (Microtus subterraneus), катерица (Sciurus vulgaris) и др., а в недалечното минало се е срещала и мечката (Ursus arctos). Характерни птици са чинка (Fringilla coelebs), боров синигер (Parus ater), червеноглаво кралче (Regulus ignicapillus), черен бързолет (Apus apus), сойка (Garrulus glandarius), сива врана (Corvus cornix), горска дърволазка (Certhia familiaris), червенушка (Pyrrhula pyrrhula), имелов дрозд (Turdus viscivorus), черен кълвач (Dryocopus martius), скален орел (Aquila chrysaetos) и много други. От земноводните и влечугите широко разпространени са дъждовникът (Salamandra salamandra), обикновеният тритон (Triturus vulgaris), кафявата крастава жаба (Bufo bufo), жабата дървесница (Hyla arborea), ливадният гущер (Lacerta agilis), зеленият гущер (Lacerta viridis), стенният гущер (Podarcis muralis), смокът мишкар (Elaphe longissima), медянката (Coronella austriaca), слепокът (Anguis fragilis). От рибите се срещат маришка мряна (Barbus cyclolepis), речен кефал (Leuciscus cephalus), скобар (Chondrostoma nasus) и др.

В Осогово се срещат и планинските елементи – планинска жаба (Rana temporaria), алпийски тритон (Triturus alpestris), живороден гущер (Lacerta vivipara) и усойница (Vipera berus), глациални реликти у нас. Те са обитатели на високите планини – Стара планина, Рила, Пирин, Родопи, Витоша и Осогово. Силно студенолюбиви са, с неголяма екологическа пластичност. Особено ценен за планината е алпийският тритон. Той е включен в Червената книга на България в категория “рядък”. Защитен е от закона, като не само унищожаването, а и самия факт на улавянето му се категоризира като неотстранима щета. От рибите характерен планински елемент е балканската пъстърва (Salmo trutta fario), обитаваща реките с бързотечащи, чисти и прохладни води

Средиземноморското влияние в Осогово прониква по долината на р. Струма. В ниските части на планината широко разпространение има гръцката жаба (Rana graeca) – типичен медитерански елемент. Други средиземноморски и субсредиземноморски представители на херпетофауната срещащи се само в ниските части на планината са – кримският гущер (Podarcis taurica), пепелянката (Vipera ammodytes), големият стрелец (Coluber jugularis), сивата водна змия (Natrix tessellata). От птиците тук гнездят испанското каменарче (Oenanthe hispanica), червеноглавата сврачка (Lanius senator) и зеленогушата овесарка (Emberiza cirlus). От паяците интересен е видът Brachythele denieri – медитерански елемент, разпространил се по долините на р. Струма и притоците й. Все пак тези и други топлолюбиви представители трябва да бъдат разглеждани по скоро като изключение отколкото като характерни за фауната на Осогово. Степните елементи са много слабо застъпени.

Осогово е планина бедна на ендемити. Ендемичен за планината е скакалецът Poecilimon affinis ruenensis.

Влахина попада в Западнобългарският граничен планински пояс, район Влахински. Характеризира се с букови и горунови гори и слабо участие на гори от бял бор и др. Високите части са заети от аркто-алпийска растителност от сибирска хвойна, балкански зановец и тревни ценози. Растителната покривка в планината е сравнително бедна. Добре развити са три растителни пояса: пояс на ксеротемните дъбови гори, пояс на мезофилните и ксеромезофилните дъбови гори и пояс на буковите гори. Поясът на ксеротермните дъбови гори най-добре е обособен по източните и североизточните склонове на Влахина. В северната част на планината в пояса на мезофилните и ксеромезофилните дъбови и габърови гори основни са съобществата на обикновения горун (Quercus dalechampii Ten.). В състава на пояса на буковите гори (над 900-1000 м н. в.) участват борисова ела (Abies borisii-regis Matf.), обикновена бреза (Betula pendula Roth.) и трепетлика (Populus tremula L.). Фрагментно в състава на буковите гори във Влахина планина се срещат съобщества на черния бор. В растителността на пояса участват и тревисти съобщества – на обикновената полевица (Agrostis tenuis sibth.), валезиевата власатка (Festuca valesiaca Schleich.ex Gaud.), миризливката (Anthoxatum odoratum L.), орловата папрат (Pteridium aquilinum Kuhn.), садината (Chrysopogon grullus trin.) и др.

За билната част е характерно разпространението на високопланински видове и фрагменти от съобщества на дребната хвойна (Juniperus pygmaeus C. Koch.), черната боровинка (Vaccinium myrtillus L.), синята боровинка (Vaccinium uliginosum L.), връшняка (Bruckenthalia spiculifolia) и др.

Във Влахина се намира единственото находище на балкано-малоазиатския вид часовниче (Erodium absinthoides Willd.).

Влахина попада в Южната зоогеографска подобласт, Струмско-Местенски район. Животинските видове тук са с подчертан средиземноморски произход. Струмско-Местенски район се отличава със значителен брой типични само за него фаунистични елементи. Това са субтропични, ирано-турански, средиземноморски и източносредиземноморски елементи като изоподата Armadillidium pallasi frontirostre, паяка Uroctea durandi, скакалеца Dociostaurus genei, бръмбара Julodis onopоrdi ehrenbergi, пеперудата Rethera komarovi и др. Типични южнобалкански елементи са например дъждовният червей Allolobophora antiqua, охлювът Chondrula macedonica, многоножката Callipodella fasciata, скакалецът Andreiniimon nuptialis, бръмбара листояд Labidostomis oertzeni и др.

Видов състав на бозайниците – от Разред Насекомоядни (8 вида – източноевропейски таралеж, къртица, обикновена кафявозъбка, малка кафявозъбка, голяма водна земеровка, малка водна земеровка, голяма белозъбкамалка белозъбка), от Разред Прилепи (13 вида), Разред Зайцевидни (див заек), Разред Гризачи (18 вида), Разред Хищници (8 вида - белка, черен пор, дива котка, язовец, лисица, невестулка, видра, вълк); Разред Чифтокопитни (дива свиня, сърна).

Планината попада в Южната крайгранична област.

Долен равнинно-хълмист и хълмисто-предпланински пояс на дъбовите гори (0-800 м н. в.)

- Подпояс на крайречните и лонгазни гори (0-800 м н. в.)
Естествената растителност в този пояс е представена предимно от чисти и по-рядко от смесени насаждения от върба, бяла топола и източен чинар.

- Подпояс на равнинно-хълмистите дъбови гори (0-600 м н. в.)
Естествената растителност в този подпояс е представена предимно от смесени и по-рядко от чисти насаждения от благун, зимен дъб, космат дъб и келяв габър. В състава им се срещат източния чинар и пърнара, който се среща само в тази част на България.

- Подпояс на хълмисто-предпланинските смесени широколистни гори (600-800 м н. в.)
Основните дървесни видове, които дават облика на подпояса, са дъбовете, като от тях най-често се среща зимния дъб, следван от благуна и косматия дъб. В по-високите части на подпояса се появява и букът. Келевият габър на бедни и ерозирани месторастения се явява, като основен дървесен вид.

Среден планински пояс на горите от бук и иглолостни (800-2200м н.в.)

- Подпояс на нископланинските гори от горун, бук и ела (800-1500 м н. в.)
В Малешевска планина естествено се среща бял бор, който образува предимно чисти и по-рядко смесени насаждения с естествено срещащи се широколистни дървесни видове. Повечето борови култури са създадени на типични букови месторастения. На много места, поради това, че почвите са с по-тежък механичен състав, тези култури съхнат или страдат от снеголоми и снеговали.

Малешевският район се отличава с разнообразна растителност, преобладава бук и горун. В по-ниските части са разпространени ксеротермни гори от благун с цер, а в по-високите, до границата с Република Македония има бял борови гори. Растителните съобщества в дъбовите гори под въздействието на човешката дейност са силно видоизменени. Поради ксерофитизацията след унищожаването на естествените гори, много по-високо са се изкачили някои топлолюбиви видове, като червената хвойна, бодлив аспарагус, мъждрян, келяв габър и др. Пърнарови храсталаци заемат най-долните части на склоновете на Малешевска планина в района на с. Каменица.

Общата характеристика на растителността се определя от разпространението на предимно ксерофитна растителност, с участието на средиземноморски елементи. В ниските части – по долината на река Струма се срещат типичните представители на средиземноморския елемент - пърнар (Quercus coccifera L.), грипа (Phyllirea latifolia L.), дървовидна хвойна (Juniperus excelsa M.B.), кукуч (Pistacia terebinthus L.) и техните съобщества.

Особено широко представен в растителността е т. нар. преходносредиземноморски елемент. Към него се отнасят съобществата на косматия дъб (Quercus pubescens Willd.), келявия габър (Carpinus orientalis L.), водния габър ostrya carpinifolia Scop.), чинара (Platanus orientalis L.), обикновения кестен (Castanea sativa L.) и др., които показват близост със средиземноморския елемент. Преходни по своя характер, но с по-голяма връзка със средноевропейския елемент са съобществата на цера (Quercus cerris L.), благуна ( Quercus frainetto Ten.) и др.

От тревистите съобщества, по значителни площи заемат тези с доминантен вид Белизма с участие на средиземноморски елементи. Следват съобщества с доминанта луковична ливадина, която се отличава с още по-богат състав от средиземноморски видове. Върху сухи екотопи са разпространени още съобщества от крив псилурус, двуредна трахиния, ресничеста вулпия и др.

На влажни екотопи са формирани съобщества с доминантни видове ливадна власатка, броеницова ливадина, воден троскот, острици, дзуки и др.

В състава на дървесната и храстова растителност на сухи екопоти по-чести са съобществата на космат дъб, късолистен дъб, келяв габър, червена хвойна, драка, памуклийка.

По отношение на зоогеографското райониране на България територията попада в Евросибирската подобласт, Рило-Родопски и Струмско-Местенски район. В Рило-Родопския район преобладават евро-сибирските и европейските видове. Поради южното изложение на Западните гранични планини съотношението между евро-сибирските и европейски видове е с превес на последните. В Струмско-Местенския район влиянието на средиземноморския климат е осезаемо.

Долината на Струма се характеризира с наличието на около 360 вида редки безгръбначни. От редките видове може да бъде установен един представител на насекомите от тропичния разред Embiotera, а от паякообразните – гръцкия галеодес (Galeodes graecus). Югозападна България е по-богата на правокрила фауна в сравнение с останалите части на страната. В състава на тази фауна има много ендемични и реликтни представители, някои от които специфични само за района. Видовото разнообразие е обусловено от местоположението, орографията, климата, почвения състав и растителните формации на района. Представители на правокрилата фауна характерна за района – Andreiniimon nuptialis, Eupholidoptera smyrnensis, Gamsocleis glabra, Omocestus petraeus и др.

Ихтиофауната на планината не е проучвана. Вероятно в планинските поточета може да се среща балканска пъстърва, мряна, лещанка.

В ниските планински райони край Струма и в ксеротермните дъбови гори се срещат някои редки за страната видове със средиземноморски произход - жаба чесновница, змия червейница, турска боа, леопардов смок, ивичест смок, котешка змия. Разпространени са и други южни видове - македонски гущер, орфево коприварче, червеногушо коприварче, малък маслинов присмехулник, белочела сврачка, сирийски пъстър кълвач, чухал и други.

Срещат се световно застрашени видове - двата вида сухоземни костенурки (шипобедрена и шипоопашата), видрата.

Планината попада в Южната крайгранична област.

Долен равнинно-хълмист и хълмисто-предпланински пояс на дъбовите гори (0-800 м н. в.)

- Подпояс на крайречните и лонгазни гори (0-800 м н. в.)
Естествената растителност в този пояс е представена предимно от чисти и по-рядко от смесени насаждения от върба, бяла топола и източен чинар.

- Подпояс на равнинно-хълмистите дъбови гори (0-600 м н. в.)
Естествената растителност в този подпояс е представена предимно от смесени и по-рядко от чисти насаждения от благун, зимен дъб, космат дъб и келяв габър. В състава им се срещат източния чинар и пърнара, който се среща само в тази част на България.

- Подпояс на хълмисто-предпланинските смесени широколистни гори (600-800 м н. в.)
Основните дървесни видове, които дават облика на подпояса, са дъбовете, като от тях най-често се среща зимния дъб, следван от благуна и косматия дъб. В по-високите части на подпояса се появява и букът. Келевият габър на бедни и ерозирани месторастения се явява, като основен дървесен вид.

Среден планински пояс на горите от бук и иглолостни (800-2200м н.в.)

- Подпояс на нископланинските гори от горун, бук и ела (800-1500 м н. в.)
В Малешевска планина естествено се среща бял бор, който образува предимно чисти и по-рядко смесени насаждения с естествено срещащи се широколистни дървесни видове. Повечето борови култури са създадени на типични букови месторастения. На много места, поради това, че почвите са с по-тежък механичен състав, тези култури съхнат или страдат от снеголоми и снеговали.

Малешевският район се отличава с разнообразна растителност, преобладава бук и горун. В по-ниските части са разпространени ксеротермни гори от благун с цер, а в по-високите, до границата с Република Македония има бял борови гори. Растителните съобщества в дъбовите гори под въздействието на човешката дейност са силно видоизменени. Поради ксерофитизацията след унищожаването на естествените гори, много по-високо са се изкачили някои топлолюбиви видове, като червената хвойна, бодлив аспарагус, мъждрян, келяв габър и др. Пърнарови храсталаци заемат най-долните части на склоновете на Малешевска планина в района на с. Каменица.

Общата характеристика на растителността се определя от разпространението на предимно ксерофитна растителност, с участието на средиземноморски елементи. В ниските части – по долината на река Струма се срещат типичните представители на средиземноморския елемент - пърнар (Quercus coccifera L.), грипа (Phyllirea latifolia L.), дървовидна хвойна (Juniperus excelsa M.B.), кукуч (Pistacia terebinthus L.) и техните съобщества.

Особено широко представен в растителността е т. нар. преходносредиземноморски елемент. Към него се отнасят съобществата на косматия дъб (Quercus pubescens Willd.), келявия габър (Carpinus orientalis L.), водния габър ostrya carpinifolia Scop.), чинара (Platanus orientalis L.), обикновения кестен (Castanea sativa L.) и др., които показват близост със средиземноморския елемент. Преходни по своя характер, но с по-голяма връзка със средноевропейския елемент са съобществата на цера (Quercus cerris L.), благуна ( Quercus frainetto Ten.) и др.

От тревистите съобщества, по значителни площи заемат тези с доминантен вид Белизма с участие на средиземноморски елементи. Следват съобщества с доминанта луковична ливадина, която се отличава с още по-богат състав от средиземноморски видове. Върху сухи екотопи са разпространени още съобщества от крив псилурус, двуредна трахиния, ресничеста вулпия и др.

На влажни екотопи са формирани съобщества с доминантни видове ливадна власатка, броеницова ливадина, воден троскот, острици, дзуки и др.

В състава на дървесната и храстова растителност на сухи екопоти по-чести са съобществата на космат дъб, късолистен дъб, келяв габър, червена хвойна, драка, памуклийка.

По отношение на зоогеографското райониране на България територията попада в Евросибирската подобласт, Рило-Родопски и Струмско-Местенски район. В Рило-Родопския район преобладават евро-сибирските и европейските видове. Поради южното изложение на Западните гранични планини съотношението между евро-сибирските и европейски видове е с превес на последните. В Струмско-Местенския район влиянието на средиземноморския климат е осезаемо.

Долината на Струма се характеризира с наличието на около 360 вида редки безгръбначни. От редките видове може да бъде установен един представител на насекомите от тропичния разред Embiotera, а от паякообразните – гръцкия галеодес (Galeodes graecus). Югозападна България е по-богата на правокрила фауна в сравнение с останалите части на страната. В състава на тази фауна има много ендемични и реликтни представители, някои от които специфични само за района. Видовото разнообразие е обусловено от местоположението, орографията, климата, почвения състав и растителните формации на района. Представители на правокрилата фауна характерна за района – Andreiniimon nuptialis, Eupholidoptera smyrnensis, Gamsocleis glabra, Omocestus petraeus и др.

Ихтиофауната на планината не е проучвана. Вероятно в планинските поточета може да се среща балканска пъстърва, мряна, лещанка.

В ниските планински райони край Струма и в ксеротермните дъбови гори се срещат някои редки за страната видове със средиземноморски произход - жаба чесновница, змия червейница, турска боа, леопардов смок, ивичест смок, котешка змия. Разпространени са и други южни видове - македонски гущер, орфево коприварче, червеногушо коприварче, малък маслинов присмехулник, белочела сврачка, сирийски пъстър кълвач, чухал и други.

Срещат се световно застрашени видове - двата вида сухоземни костенурки (шипобедрена и шипоопашата), видрата.