Η Αστυπάλαια έχει αναγνωριστεί από την επιστημονική κοινότητα ως οικολογικά σημαντική περιοχή καθώς φιλοξενεί πολλά σπάνια είδη χλωρίδας και πανίδας.

Το ανατολικό τμήμα του νησιού και το σύμπλεγμα των 12 γύρω νησίδων (Κουνούπι Οφιδούσα, Κουτσομύτι, Τιγάνι, Μονή, Φτενό, Χονδρόπουλος, Φωκιονίσια, Λιγνό, Χονδρή, Αγία Κυριακή και Ποντικούσα) εκτάσεως 476,5 Ηα είναι ενταγμένα στο δίκτυο NATURA 2000 με κωδικό GR4210009 και έχουν χαρακτηριστεί ως βιότοπος CORINE, ανάμεσα στους 39 της Περιφέρειας Νοτίου Αιγαίου.

Το έδαφος είναι ως επί το πλείστον ορεινό και λοφώδες, με κύρια πετρώματα τον ασβεστόλιθο και τον φλύσχη. Οι ακτές της Αστυπάλαιας, είναι απότομες και πολυσχιδείς, σχηματίζοντας πλήθος κόλπων, όρμων και κολπίσκων.

Στην Αστυπάλαια υπάρχουν δύο ενδιαφέροντα σπήλαια: του Νέγρου κοντά στην παραλία Βάτσες, το οποίο συνδέεται με ιστορίες για πειρατές και θησαυρούς, και του Δράκου, στο βορειοανατολικό άκρο, το οποίο διαθέτει εντυπωσιακούς σταλακτίτες και σταλαγμίτες και σύμφωνα με την παράδοση, αποτέλεσε καταφύγιο πειρατών.

Σε ό,τι αφορά τη χλωρίδα το νησί φιλοξενεί ενδημικά φυτά του Αιγαίου, όπως τα Anthemisscopulorum, Arenariaaegaea, Campanulalaciniata, Dianthuscinnammeus, Fibigialunarioides κ..α. καθώς επίσης και άλλα σπάνια είδη όπως τα Aristolochiaparviflora, Carummultiflorum, Convolvulusscamonia, Linumarboreum κ.ά. Η βλάστηση στο ανατολικό τμήμα της Αστυπάλαιας χαρακτηρίζεται από θαμνοκυπάρισσα, σχίνα και αραιά φρύγανα.

Στο δυτικό τμήμα κυριαρχούν τα φρυγανικά είδη (αφάνα, αστοιβή, γαλαζαστοιβή), ενώ στις κοίτες των χειμάρρων απαντώνται λυγαριές, πικροδάφνες και συκιές. Στους παραθαλάσσιους οικισμούς και κυρίως στα Λιβάδια, βόρεια των οποίων βρίσκεται το φράγμα της Αστυπάλαιας, υπάρχουν ελαιόδεντρα, συκιές, αλμυρίκια, αλλά και κωνοφόρα, καλαμιώνες και αμπέλια.