Oulangan jokilaakso on aikoinaan muotoutunut kallioperäliikuntojen ja kivilajien erilaisen kulutuskestävyyden mukaan. Nykyisen maiseman jokilaakso sai viimeisen jääkauden lopussa reilu 10 000 vuotta sitten. Mannerjään sulamisvaiheen aikana Oulanka- ja Kitkajoet olivat jäätikköjokien päävesiväyliä ja toimivat leviämisreittinä itäisille lajeille. Oulangan kansallispuiston alueella eri ilmansuunnista peräisin olevat lajit kohtaavatkin ainutlaatuisella tavalla.
Eliölajistoltaan Oulanka on pohjoisesta sijainnistaan huolimatta Suomen rikkaimpia alueita. Pohjoiset kasvilajit viihtyvät varjoisilla pahtojen rinteillä ja esimerkiksi lapinvuokon valkoiset kukat koristavat Kiutakönkään kallioita kesäkuussa. Alueen kalkkipitoiset kivilajit tekevät maaperästä sopivan usealle vaateliaalle kämmekkälajille. Näistä tunnetuimpia ovat tikankontti ja puiston tunnuskasvi neidonkenkä. Näiden kotoisten orkideakasvien kukintaa pääsee Oulangalla ihailemaan kesäkuun puolenvälin tienoilla. Eteläisiä lajeja Oulangalla edustavat esimerkiksi Kiutakönkäälle vievän polun varrelta löytyvät näsiä ja sudenmarja. Puiston itäisiä kasvilajeja ovat harjuilla ja joenvarren hiekkapohjilla viihtyvä idänkeulankärki sekä pulskaneilikka, joka on eräs Oulangan tulvaniittyjen erikoisuuksista.
Nisäkkäitä Oulangalla on tavattu 30 lajia, mukaan lukien suurpetomme karhu, susi, ilves ja ahma. Tyypillisiä lajeja ovat poro, hirvi sekä piennisäkkäät. Pohjanlepakko esiintyy kansallispuistossa levinneisyytensä pohjoisimmissa osissa ja sen voi nähdä kesällä saalistamassa joen varrella jopa keskellä päivää. Myyristä Oulangalla kohtaa eri ilmansuunnilta peräisin olevia lajeja; metsämyyrä, harmaakuvemyyrä sekä lapinmyyrä. Myyrät puolestaan houkuttelevat vaeltavia hiiri- ja lapinpöllöjä, joita Oulangalla tavataan vuosittain.
Kansallispuistossa pesivään lintulajistoon kuuluvat mm. kuukkeli, pohjantikka ja lapintiainen, jotka viihtyvät luonnontilaisessa metsässä. Runsaslukuisimpia pesijöitä ovat paju- ja leppälintu sekä järripeippo, jonka ryystävä laulu soi keväisin metsissä. Erämaisilla seuduilla liitelevät puolestaan niin maa- kuin merikotkakin. Valtavaaralla pesivä, levinneisyytensä länsiosassa esiintyvä sinipyrstö houkuttelee bongaajia kauempaakin, aina Keski-Eurooppaa myöten. Talvella sulana pysyvät virtapaikat ovat mieluisia talvehtiville koskikaroja.
Oulangalla pääsee luontoon lyhyille, esteettömille reiteille tai useamman päivän patikointimatkoille. Päiväretkikohteet ovat helposti saavutettavissa, ja nimensäkin perusteella suhteellisen lyhyitä. Suosituimpia päiväreittejä ovat kahdentoista kilometrin pituinen Pieni karhunkierros Juumassa sekä Kiutakönkään putouksen ohi kulkevat Hiiden hurmos (5 km) ja Könkään keino (8 km). Huimia näkymiä alas Oulankajoen kanjoniin tarjoaa kuuden kilometrin pituinen Kanjonin kurkkaus.
Oulangan tunnetuimman reitin, Karhunkierroksen lähtöpiste on Sallassa Hautajärven kylässä ja reitille pääsee myös Ristikallion parkkipaikalta. Matkan varrella luonto muuttuu tarjoten uudenlaisia näkymiä kulkijalle; Karhunkierroksen varrella on suota, kallioita, lehtoja, kuivia mäntykankaita, niittyjä, vaaroja, mutta ennen kaikkea Oulangalle tyypillisiä villejä koskia ikiaikaisten kallioseinämien suojassa.