El santuario protege bosques caducifolios de roble hualo y roble de Santiago junto a bosques esclerófilos en las zonas bajas. Alberga fauna como el zorro chilla y culpeo, guiña, quique, vizcacha, condor, gruñidor de valeria y la ranita de pecho espinoso de Cantillana, especie presente solo en dos localidades del país: San Juan de Piche y Poqui. Su sistema hídrico conformado por una red de quebradas y cursos de agua sostiene ecosistemas ribereños vitales.
