湧別川流域の地形は大部分は山地丘陵地で、低地は谷底平野と最下流部に分布しています。地質は山地は粘板岩が広く分布、ほかに火山岩類、沖積層などが堆積しています。水質は一般に清浄であり、良好な水質を保っています。

　河道内の植生は、上流域では河岸及び隣接地にエゾマツ、トドマツの針葉樹林、ミズナラ、エゾイタヤ等の混生した針広混交林が見られます。平野部では沿川に農耕地が広がり、河川沿いにはヤナギ林、ハルニレ、ドロノキ、エゾノウワミズザクラなどの河畔林が分布していますが、遠軽町付近では河畔林も少なくなり、オオイタドリ、ヨモギ類などが草原状を呈しています。
　下流域では、小規模なヤナギ林が主体となり、オオイタドリ、ヨモギ類の草地が多くなるほか、河道の変化が激しく川幅の広い区間では、広い砂州が形成され、カワハハコ等の礫河原に特徴的な草地が見られます。また、河口部ではハマナスなどの海浜植生も多く見られます。
　下流部の礫河原は、コチドリなどの繁殖場となるほか、秋に遡上してくるサケなどの産卵場としても機能しています。

　当流域は、道内屈指の清流で、上流部ではアメマス、オショロコマ、ハナカジカ、フクドジョウ、サクラマス（ヤマベ）などが多く生息しており、毎年多くの釣り人が渓流釣りに訪れます。
　下流域では、エゾウグイ、ウグイが主として生息し、ウキゴリ、ニホンイトヨ、エゾトミヨ、トミヨ属（イバラトミヨ）なども見られます。また、サケ、カラフトマスの放流、捕獲が行われているなど、川と魚と人が深く関わり合っている地域であるといえます。