Les caractéristiques naturelles de la région sont liées à la géologie (omniprésence du karst, présence de massifs), à l'histoire, à l'agriculture, et à la situation en tête de bassin versant.

La région présente une riche mosaïque d'espaces structurés par le relief et l'eau, des espaces agricoles à forte composante naturelle et un patrimoine forestier étendu et diversifié. Elle est riche sur le point de la biodiversité. Le quart du territoire régional est inscrit à divers inventaires ou protections et la variété des milieux est à l'origine de la grande diversité et richesse des paysages de la région.

Milieux

La région Franche-Comté est caractérisée par des espaces remarquables variés. Le schéma régional de cohérence écologique en distingue 7 :

• Les milieux forestiers : Ils couvrent 44 % de la superficie régionale. Ils associent forêts de plaine où dominent les feuillus (chênaies-charmaies), de montagne (hêtraie-sapinière) et forêts de pente (à la flore très spécifique).
• Les milieux herbacés permanents : L’agriculture franc-comtoise, très orientée vers la production laitière, se caractérise par une part importante de prairies permanentes. Certaines zones de pelouses et de prairies constituent des milieux remarquables notamment les zones de plateaux dans le massif du Jura.
• Les milieux agricoles en mosaïques paysagères : ils sont constitués par les espaces prairiaux d’altitude et de plaine et les espaces cultivés en polyculture-élevage.
• Les milieux aquatiques : Le réseau hydrographique est dense avec environ 10 000 kilomètres de cours d’eaux. Les milieux aquatiques sont très diversifiés :  vallées alluviales, milieux aquatiques, milieux humides (la Franche-Comté est l'une des régions les plus riches en ce qui concerne les tourbières). Avec 600 kilomètres de rivières classées en Arrêté de Protection de Biotope (APB) pour l'habitat naturel des écrevisses, la Franche-Comté présente le plus fort taux de protection de son patrimoine aquatique. Les rivières à salmonicoles et ombres sont également particulièrement caractéristiques du réseau hydrographique franc-comtois (Loue et le Doubs). La région a un rôle important dans la protection des basses vallées alluviales (Doubs, Ognon, Saône) et des ruisseaux de tête de bassin dont le potentiel d'accueil d'espèces halieutiques est fort.
• Les milieux humides : Les zones humides et les tourbières couvrent plus de 6 % de la région. La région dispose d’un grand éventail de lacs (plus de 5 000) notamment dans le Jura (lacs naturels du Haut Jura) et la Haute- Saône et Territoire de Belfort (plans d’eau artificiels du plateau des « mille étangs » et contreforts du Ballon d’Alsace). Les milieux tourbeux et para-tourbeux accueillent de nombreuses espèces.
• Les milieux xériques : cette sous trame « sèche » regroupe les milieux secs comprenant les falaises et milieux rupestres associés, bien représentés en région Franche-Comté et les pelouses xérophiles.
• Les milieux souterrains : cette sous-trame comprend les réseaux de grottes et cavités présents en Franche-Comté et accueillent des espèces rares de chauves-souris telles le Minioptère de Schreibers

Espèces

Les milieux diversifiés et relativement préservés abritent de nombreuses espèces associées :

• sur 134 espèces de libellules en Europe, 75 sont présentes en Franche-Comté ;
• sur 33 espèces de chauve souris en France 28 sont présentes en Franche-Comté qui pour certaines de ces espèces représente entre 10 et 20% de la population nationale ;
• une flore diversifiée liée aux habitats, avec une singularité forte pour les espèces liées aux tourbières ;
• une diversité d'oiseaux liée aux habitats avec de fortes représentations pour les oiseaux des milieux humides, et des forêts montagnardes (tétra, gélinotte, aigle Pomarin)
• quelques espèces très emblématiques comme le Lynx ou l'Apron du Rhône