Острова — крупнейший рефугиум плейстоценовых элементов флоры и фауны. Они были распространены на пространствах древней Берингийской суши в период осушения арктического материкового шельфа и могли мигрировать по Берингийскому сухопутному мосту из Азии в Америку и обратно.

Заповедник можно с полным правом назвать музеем-лабораторией эволюции арктической биоты. На протяжении всего кайнозоя территория островов никогда полностью не затоплялась и не покрывалась ледниками. Природные комплексы островов — результат непрерывной эволюции растительного и животного мира, продолжающейся без разрывов с позднего мезозоя.

На островах широко представлены реликтовые растительные сообщества, которые господствовали на севере Берингийской суши в плейстоцене. Местами эти сообщества имеют ландшафтообразующее значение, поэтому ландшафты острова ближе к древним плейстоценовым, чем все другие на планете.

Флору и фауну заповедника характеризует уникально высокий уровень эндемичности. На островах выявлено около 40 эндемичных видов и подвидов сосудистых растений, насекомых, птиц и млекопитающих (леммингов). Часть из них — реликтовые и относятся к наиболее малочисленным видам планеты.

Кроме видов-эндемиков, в заповеднике представлены уникальные эндемичные типы растительных сообществ и даже эндемичные типы почв.

Для флоры и фауны заповедника характерно смешение типично арктических и относительно южных, азиатских и американских таксонов (среди которых высока доля форм центрально-азиатского происхождения).

Острова и прилегающая акватория играют ключевую роль в жизненном цикле целого ряда редких и особо охраняемых видов. Заповедник служит репродуктивным резерватом для множества видов животных, важных для обеспечения функционального здоровья экосистем и жизнеобеспечения коренных народов Чукотско-Беринговоморского региона.