Ubicado en la zona de transición entre la estepa árida de la Patagonia Argentina y los bosques templados de hayas del sur de la Patagonia Chilena, el Parque Patagonia abarca una variedad de ecosistemas que incluyen Pastizales, bosques ribereños y Humedales.
Los pastizales esteparios secos de la Patagonia Argentina se caracterizan por precipitaciones mínimas, vientos fríos y secos y suelo arenoso.Las Montañas Andinas bloquean la humedad que fluye hacia el oeste, creando esta región árida.Una serie de plantas han sido capaces de adaptarse a este entorno hostil, incluidos arbustos como calafate, quilembay y yaoyín,y pastos como flechilla y coirón poa. Estos pastizales soportan animales resistentes como el búho madriguero, el zorro gris,tuco-tuco, mara, armadillos, varias especies de águila y halcón, y depredadores clave como el puma.Una amplia gama de animales prosperan en las afueras más habitables del desierto y alrededor de lagos efímeros formados a partir de la vegetación de los Andes, donde pueden crecer árboles y pastos acuosos más nutritivos.
Moviéndose hacia el oeste y escalando el gradiente vertical de la Cordillera de los Andes, la flora y la fauna del parque cambian notablemente.El paisaje comienza a transformarse en bosques, que consisten principalmente en tres especies del género Nothofagus: lenga, ñire y coiue. Aquí, las precipitaciones pueden ser muy altas, generando bosques densos, llenos de nutrientes de alta hojarasca. Estos bosques albergan 370 géneros de plantas vasculares, que son vitales para la supervivencia de la fauna circundante.Algunos mamíferos importantes incluyen el huemul, el puma,el zorro rojo y varias especies de murciélagos en peligro de extinción. Los bosques del Parque Patagonia también contienen una gran diversidad de especies de aves, como el cóndor andino, el pájaro carpintero magallánico, el Pato de Anteojos,el cisne de cuello Negro, el búho pigmeo, el ibis de cara negra, el flamenco chileno, el negrito austral, el avestruz austral y una variedad de anfibios y reptiles.
A lo largo de la Patagonia, el guanaco, un gran camélido que es un pariente silvestre de la llama, es el más abundante herbivore.It se alimenta del 75% de todas las especies de plantas de la estepa patagónica.El guanaco actúa como una especie clave: previene la dominación de las especies de pastos, actúa como dispersante y fertiliza, y tiene altas tasas reproductivas, proporcionando alimento a los carnívoros locales, especialmente a los pumas.
Aunque el parque se encuentra en el lado oriental de los Andes, sus arroyos y ríos alimentados por glaciares corren hacia el Océano Pacífico.Su agua azul turquesa es el hogar de importantes poblaciones de peces nativos como la Perca(Percichthys trucha), el pejerrey patagónico (Patagonina hatcheri) y el puyen. El salmón del Atlántico, así como la trucha de arroyo, marrón y de arco iris, se han introducido en el área.