Si hay una flor que caracteriza a esta región es la chuquiragua o flor del andinista. Esta planta crece a más de 3,400 m.s.n.m. Otra planta conocida es la alchemila que crece en pequeños remanentes de bosques sobre la parte sur occidental del Rumiñahui.

Dentro del parque, se han encontrado hasta cuatro bioregiones, con sus respectiva flora. Entre los 3,400 y 4,000 metros crecen los bosques de la montaña. Árboles como Pumamaqui (Oreopanax), Quishar o "el árbol de Dios", Mortiño (Floribundum vaccinium) y el Romerillo (Laricifolium hypericum).

Las llanuras están cubiertas de un césped nativo. En las zonas que sobrepasan los 4,400 m.s.n.m., la vegetación está formada por líquenes y musgo.

En lo que respecta a la fauna, en Cotopaxi habitan venados, llamas, conejos y otras especies. Entre las aves se pueden apreciar -a parte de los cóndores- quilicos, gaviotas andinas, quindes curiquinques. Un caso singular, es el del colibrí de sangre caliente llamado "Estrella de los Andes" que tiene la capacidad de variar su temperatura corporal, en un rango que fluctúa entre los 40º y los 15º centígrados.