A paisagem desta ZPE é marcada por planícies onde se destacam as formações quartzíticas das serras de S. Barão e de Alcaria e os vales escarpados do Rio Guadiana e dos seus afluentes. Esta ZPE é caracterizada por áreas de cultivo extensivo de cereal, matos, montados de azinho, áreas florestadas e pelos vales da bacia hidrográfica do Rio Guadiana. Nos vales e ribeiras ocorrem algumas espécies características de plantas como o Oleandro (Nerum oleander), a Tamargueira (Tamarix africana) e o Tamujo (Securinega tinctoria). Nesta área encontram-se também espécies de plantas ameaçadas como o Trevo-de-quatro-folhas (Marsilea batardae) que cresce perto de ribeiras, e o Tomilho-do-mar (Thymus camphoratus) que é uma espécie endémica (ICN 2001).

Quanto à ictiofauna, existem nove espécies endémicas de peixes de água doce e três espécies que ocorrem somente na bacia hidrográfica do Rio Guadiana, o Saramugo (Anaecypris hispanica), a Boga-do-guadiana (Chondrostoma willkommii) e o Barbo-de-cabeça-pequena (Barbus microcephalus). Encontram-se nesta área 13 espécies de anfíbios e 20 de répteis.

Quanto aos mamíferos é regular a presença da Lontra (Lutra lutra) em linhas de água e existem vários registos de ocorrência de Gato-bravo (Felis silvestris) (ICN 2001). A ZPE do Vale do Guadiana tem extrema importância para as aves rupícolas que nidificam nas falésias ao longo do vale do Rio Guadiana como a Águia-de-Bonelli (Aquila fasciata), a Cegonha-preta (Ciconia nigra), a Águia-real (Aquila chrysaetus) e o Bufo-real (Bubo bubo). É também importante para as aves estepárias, especialmente para o Peneireiro-das-torres (Falco naumanni), que ocorre numa colónia importante na vila de Mértola, sendo esta a única colónia urbana de Portugal.

O Vale do Guadiana alberga uma das populações mais significativas de Cortiçol-de-barriga-negra (Pterocles orientalis), e três núcleos reprodutores importantes de Abetarda (Otis tarda) (ICNB 2006).