流域の大部分が山地で占められる留萌川の上中流域では、背後の山地から連なる豊かな自然が水辺の生態系や生物の貴重な生息・生育環境を提供し、下流部は淡水と海水が混ざり合う汽水域であり、市街地にありながらも多様な生物が生息する環境となっています。

　留萌川は、河川を横断する構造物がなく、下流市街地をぬけると背後に山林がせまり、河川の水際まで植生が繁茂する自然のままの景観が多く見られるなど、地域の自然環境の基盤、生物の貴重な生息空間となっています。上中流部は山沿いや森林に囲まれた農地を蛇行しながら流れており、河道内にはエゾイタヤ－シナノキ群落やヤナギ－ヤマハンノキ群落を中心とした河畔林が水際まで茂っています。河川周辺ではホオジロ、アオジ、モズ、カワセミ、オシドリ、オオジシギ等の鳥類が見られ、カワヤツメ、スナヤツメ、ギンブナ、ウグイ、エゾホトケドジョウ、サクラマス（ヤマメ）、イトヨ、ハナカジカ等の魚類、エゾシカやキタキツネの生息も確認されています。

　また、市街地を流れる下流部は、堤防や護岸の整備が進んでおり一部を除き河道内に樹木は見られませんが、淡水と海水が混ざり合う汽水域で、流れが非常に緩やかであり、カワヤツメ、チカ、シラウオ、メナダ、ボラ、サヨリなどを始めとした魚類が生息しています。河川周辺にはアオサギ、ハクセキレイ・キセキレイ、イソシギ、コチドリ、ウミネコ等の鳥類が見られます。