Η Θύμαινα, που χαρακτηρίζεται από απότομες βραχώδεις ακτές και βραχώδεις παραλίες, εντάσσεται στο δίκτυο Natura 2000, ως Ζώνη Ειδικής Προστασίας (ΖΕΠ), λόγω της περιβαλλοντικής σημασίας των χερσαίων και θαλάσσιων οικοσυστημάτων της περιοχής, καθώς και των ειδών πανίδας και χλωρίδας.
Επίσης είναι στον κατάλογο βιοτόπων του ευρωπαϊκού προγράμματος Corine, ως παράκτια περιοχή οικολογικής σημασίας, με τον κωδικό A00010082.
Χλωρίδα
Η βλάστησή στην Θύμαινα αλλα και στις βραχονήσιδες γύρω από αυτήν είναι κυρίως θαμνώδης. Ο θάμνος που συνάνταται περισσότερο στο νησί είναι ο σχίνος ή αλλιώς Πιστακιά (Pistacia).
Πολλά αρωματικά φυτά, όπως το θυμάρι, το θρούμπι, η φασκομηλιά και η ρίγανη αφθονούν επίσης στα σχιστολιθικά εδάφη της Θύμαινας.
Τα δέντρα που επικρατούν στο νησί είναι κυρίως η ελιά και η φίδα, ένα είδος αγριοκυπάρισσου. Κατά τόπους υπάρχουν αρκετές συκιές, 
φραγκοσυκιές, αμυγδαλιές και χαρουπιές.
Πανίδα
Η Θύμαινα συμπεριλαμβάνεται στις 196 σημαντικές για τα πουλιά περιοχές της Ελλάδας (Σ.Π.Π.Ε.), καθώς στα εδάφη της αναπαράγονται πολλά είδη πουλιών, όπως ο θαλασσοκόρακας, ο μαυροπετρίτης (είδος γερακιού) και ο φιδαετός.
Στην θαλάσσια περιοχή του νησιού συναντάμε την απειλούμενη μεσογειακή φώκια monachus monachus και πληθυσμούς από διάφορα είδη δελφινιών και θαλάσσιων χελώνων.
Αισθητή κάνουν την παρουσία τους τα αιγοπρόβατα που είναι διάσπαρτα σε όλο το νησί καθώς και μικρά κοπάδια απο την νησιώτικη πέρδικα, της οποίας όμως οι πλυθησμοί έχουν μειωθεί αρκετά τα τελευταία χρόνια.