Южное Прибалхашье богато ландшафтным и биологическим разнообразием. Разнообразен животный мир бассейна. Здесь обитает около 50 видов млекопитающих. Авифауна представлена 269 видами. В водоемах обитает более 20 видов рыб. Фауна озера была довольно богата, но, начиная с 1970-х годов, биоразнообразие начало снижаться из-за ухудшения качества воды. До того времени бентос представлен моллюсками, личинками ракообразных, водных насекомых. Также представлены комары-звонцы и малощетинковые черви. Зоопланктон (концентрация 1,87 г/л, 1985) также был достаточно обильный, особенно в западной части. В озере водилось около 20 видов рыб, из которых 6 являлись родными — илийская (Schizothorax pseudoksaiensis) и балхашская (S. Argentatus) _аринки, балхашский окунь (Perca schrenkii), пятнистый (Nemachilus strauchi) и одноцветный губач (N. Labiatus) и балхашский гольян (Phoxinus poljakowi), а остальные — интродуцированными: сазан, шип, восточный лещ (Abramis brama orientalis), аральский усач (Barbus brachycephalus), сибирский елец, карп, линь, судак, сом, осман, серебряный карась и другие. Основными промысловыми рыбами являлись сазан, судак, жерех и лещ.
Из 342 видов позвоночных 22 занесены в Красную книгу Казахстана. В лесах дельты до середины XX века водился туранский тигр, который питался обитавшими там кабанами. В низовьях Или в 1940-х годах усилиями А. А. Слудского была акклиматизирована завезённая из Канады ондатра. Богатые крахмалом корневища рогоза стали для неё хорошим кормом, однако за последние годы, в связи с постоянными зимними паводками, которые возникают в результате сбросов из Капчагая, и вырубкой камыша, места обитания ондатры разрушены, и полностью прекращен промысел, доходивший ранее до 1 млн зверьков в год.
Балхаш относится к ареалу обитания больших бакланов, чирков, фазанов, беркутов и белых цапель. Из 120 видов птиц в Красную книгу попали 12, в том числе розовый и кудрявый пеликаны, колпица, лебедь-кликун и орлан-белохвост. На естественных пастбищах пасутся овцы и козы, крупный рогатый скот, лошади и верблюды. Ведется любительская охота на диких животных и птиц.
На берегах озера произрастает туранга (в составе тугайных лесов) и ива, из злакоцветных — тростник обыкновенный (Phragmites australis), рогоз южный (Typha angustata) и несколько видов камыша — приморский (Schoenoplectus littoralis), озёрный (S. Lacustris) и эндемичный вид камыш казахстанский (Scirpus kasachstanicus). Под водой произрастают два вида урути — колосистая (Myriophyllum spicatum) и мутовчатая (M. Verticillatum), несколько видов рдеста: блестящий (Potamogeton lucens), пронзеннолистный (P. Perfoliatus), курчавый (P. Crispus), гребенчатый (P. Pectinatus) и крупноплодный (P. Macrocarpus); встречаются пузырчатка обыкновенная (Utricularia vulgaris), роголистник темно-зеленый (Ceratophyllum demersum), а также два вида наяды (морская и малая). Фитопланктон, концентрация которого в 1985 году составляла 1,127 г/л, представлен многочисленными видами водорослей.
Здесь представлены гаммофильные группировки и саксауловые сообщества на песчаных массивах, эфемерово и злаково-разнотравно-полынные сообщества на глинистых и суглинистых почвах, злаково-разнотравные группировки, галофильная растительность на солончаках и такырах, тугайная растительность и уникальные туранговые заросли в поймах рек, а также прибрежно-пойменная, луговая, болотная и водная растительность.
Камыш, обильно росший на южном берегу озера, особенно в районе дельты Или, служил отличным прибежищем для птиц и животных. Изменение гидрологического режима ниже Капчагайского водохранилища привело к деградации дельты Или — с 1970 года её площадь уменьшилась с 3046 км² до 1876 км², в результате чего сократились водно-болотные угодия и тугайные леса — места обитания птиц и зверей. Освоение земель, применение пестицидов, перевыпас скота и вырубки камыша также повлияли на биоразнообразие бассейна.
В результате освоения земель, применения пестицидов, перевыпаса скота и пожаров происходит сокращение биоразнообразия на всей территории бассейна. В нижнем течении реки Или сократились водно-болотные угодья, тугайные леса – места обитания птиц и зверей. Из 342 видов позвоночных 22 занесены в Красную книгу. В Прибалхашье гнездятся свыше 120 видов птиц, из них 12 занесены в Красную книгу: розовый и кудрявый пеликаны, колпица, лебедь-кликун, орлан-белохвост. Колонии пеликанов в дельте реки Или являются одними из последних в нашей стране. Сокращается поголовье джейранов, горных баранов, каракалов, барханных котов, персидской выдры, туркестанской рыси. В степном поясе Тянь-Шаня и его предгорьях стали редкими, или исчезли насекомые фитофаги, дикие пчелиные-опылители растений, хищные членистоногие. Это ведет к снижению продуктивности садов и ягодников, воспроизводству насекомых-вредителей, стойких к пестицидам.