Zwischen den östlichen Ausläufern der Anden und dem Amazonastiefland liegt eine Höhendifferenz von 4000 m und beschert damit dem Nationalpark drei verschiedene ökologische Zonen: Regenwald, Bergregenwald und Hochgebirge. Die Verschiedenartigkeit der Flora und Fauna ist auch Ziel von Forschungen der biologischen Station Cocha Cashu, die die grösste Datenbank über tropische Ökosysteme in Südamerika besitzt.

Betrieben wird die Station von der Universität La Molina in Zusammenarbeit mit dem zoologischen Institut Frankfurt am Main. Die Forscher schätzen, dass etwa 10% aller Pflanzen, die hier gefunden werden, der Wissenschaft noch vollkommen unbekannt sind. Im Regenwald existieren gigantische Bäume mit über 60 m Höhe und 3 m Durchmesser, von welchen Lianen und andere Rankengewächse herunter hängen und verhindern, dass Licht den Boden des Regenwaldes erreicht.

In den drei ökologischen Regionen wurden 550 Vogelarten, über 200 Säugetiere und über 100 Arten Fledermäuse, die bis dahin unbekannt waren, registriert. Vom Aussterben bedrohte Tiere, wie der Schwarze Kaiman oder die Riesenotter, sind hier noch in ausreichender Zahl zu finden. Im Nationalpark leben kleine Indianerstämme in ihrer natürlichen Umgebung.

Einige davon sind durch ihre Namen bekannt, wie die Machiguengas, die Yora, die Yaminahuas, die Mashco-Piros und die Amahuacas. Nur die Machiguengas und Yora haben Kontakt mit der Aussenwelt und den Parkbehörden. Sie leben in tropischen, mit Palmenblättern gedeckten Hütten und betätigen sich als Jäger und Sammler und bewirtschaften kleine Anbauflächen.