In der Tierwelt Madeiras gab es vor Ankunft der ersten Europäer außer einer Feldermausart keine Säugetiere. Alle heute auf der Insel vorkommenden Säugetiere wurden durch die Siedler mitgebracht oder unfreiwillig eingeschleppt. Auf den Ilhas Desertas leben einige wenige Exemplare der stark gefährdeten Mittelmeer-Mönchsrobben (Monachus monachus). Sie stehen heute unter strengem Schutz und dürfen nicht gestört werden.
Viele Insekten- und Vogelarten sind endemisch, treten also nur hier auf. Der Vorfahre des Kanarienvogels stammt von Madeira. Im Gegensatz zu seinen gezüchteten Verwandten ist die Urform allerdings eher unscheinbar.
Die Fischbestände rund um die Inselgruppe sind reichhaltig. Dazu gehören Thunfisch, Degenfisch und Rotbarsch.
Heute gibt es wieder zahlreiche Wale in den Gewässern rund um Madeira. Darunter auch Pottwale. Alle Walarten stehen unter Schutz und werden seit 1981 nicht mehr gejagt.
Die Pflanzenwelt Madeiras hat sich isoliert und abgeschieden vom kontinentalen Einfluss entwickelt. Viele Planzenarten sind endemisch. Ähnlichkeiten bestehen zu den Azoren und den Kanarischen Inseln. Die typische Vegetationsform in Höhen von 300 bis 1300 m ist der Lorbeerwald mit dem Lorbeerbaum (Laurus azorica).
Diese Waldform ist heute aber nur noch in kleinen Reliken anzutreffen. Es wird jedoch versucht, die einheimische Flora zu stärken. Man hat erkannt, dass viele Umweltprobleme Madeiras, wie etwa Wasserknappheit oder Erosionsanfälligkeit der Böden, zu tun haben mit der Schädigung des natürlichen Gleichgewichtes.
Dazu wurden Schutzgebiete eingerichtet und der Lorbeerwald im Jahre 1999 in die Weltnaturerbenliste der UNESCO aufgenommen.