A longa história geológica da Serra da Estrela acabou por originar um território muito heterogéneo. A grande variação altitudinal, com valores que vão dos cerca de 350 m no médio Mondego aos 1.993 m da Torre e que promove a existência de terrenos muito acidentados, a retenção das massas de ar húmido provenientes do Atlântico, as zonas trabalhadas pelo gelo durante a última glaciação, os diversos vales de rios e ribeiras que ali brotam, são vários fatores que proporcionam uma grande diversidade de ambientes, que contribuem para a existência de uma importante biodiversidade, cuja evolução depende das alterações ambientais que se lhe colocam.

Estes variados habitats abrigam, portanto, uma grande diversidade de espécies de fauna e de flora, fruto das variações do clima e da geologia ao longo de milhões de anos. O relevo acidentado, que dificulta a ocupação humana do território, também contribuiu para que essa biodiversidade se mantivesse resguardada. De facto, no território do Geopark Estrela podem ser observadas quase 70% de todas as espécies de anfíbios que existem em Portugal Continental, bem como 75% de todas as espécies de morcegos nacionais. É a região, por exemplo, com maior riqueza de briófitos no país, com 110 espécies, 82 delas ameaçadas de extinção.

O planalto superior da Serra da Estrela abriga também algumas espécies e subespécies endémicas, isto é, que não podem ser encontradas em nenhum outro lugar no mundo. Os endemismos em ambientes de montanha estão normalmente relacionados com o isolamento das populações de seres vivos mais exigentes quanto ao habitat. A sua adaptação a este ambiente restrito, ao longo de muitas gerações, acaba por definir uma nova espécie.

O valor da Serra da Estrela para a biodiversidade portuguesa é reconhecido oficialmente desde a definição da sua área enquanto Parque Natural, em julho de 1976. Este reconhecimento é posteriormente reforçado por sua integração em várias redes de conservação da natureza internacionais, tais como: a Rede Natura 2000, com a criação do Sítio de Interesse Comunitário (SIC) da Serra da Estrela, e a integração do Planalto Superior e do Vale Glaciário do Zêzere na Rede de Reservas Biogenéticas do Conselho da Europa, em 1993, e mais tarde, em 2005, estas áreas foram também incluídas na lista de Zonas Húmidas de Importância Internacional, da Convenção Ramsar (tratado internacional para a conservação e uso sustentável das zonas húmidas e seus recursos). Também em 2005, a Serra da Estrela foi distinguida como Área Importante para a Preservação de Aves e da Biodiversidade (Important Bird and Biodiversity Area), pela ONG Birdlife International.

Áreas classificadas para a biodiversidade no Estrela Geopark Mundial da UNESCO.