大野川の源流部にあたる祖母(そぼ)山系の一部は西日本の山地で原生林が残っている唯一の地域であり、その他にも自然に恵まれた地域が数多く存在しています。当該地域は、この自然環境の保全のため、自然公園(阿蘇くじゅう国立公園・祖母傾(そぼかたむき)国定公園・祖母傾県立自然公園・神角寺芹川(じんかくじせりかわ)県立自然公園)に指定されています。
上流部には、カワガラス、アマゴ、サンショウウオ等が生息しています。中流部にはカワセミやオイカワ等が生息し、ツルヨシ等も繁茂しています。下流部の高水敷は、ほとんどが発達したオギの群落で占められ、オオヨシキリ等が生息しています。