Στο μεγαλύτερο τμήμα του, το ποτάμι καλύπτεται από μεγάλα παρόχθια δάση με ιτιές, λεύκες, πλατάνια, σκλήθρα, σφενδάμια και πικροκαστανιές, ενώ λίγο πιο ψηλά αναπτύσσονται ελατοδάση και δρυοδάση. Τα παραποτάμια δάση που εκτείνονται λίγα χιλιόμετρα πριν τα Τέμπη μέχρι και τις εκβολές του, θεωρούνται από τα ομορφότερα της Ελλάδας. Τα πιο αξιόλογα φυτά που συναντά κανείς στις όχθες και στους λόφους γύρω από τον Πηνειό είναι η Lysimachia atropurpurea, ο λευκός κρίνος Lilium candidum, η Putoria calabrica, το Sedum cepaea, το Damasonium alisma, το Sedum dasyphyllum, το αγριόσκορδο Allium heldreichii, η καμπανούλα Campanula thessala, το υδρόφιλο Spirodela polyrhiza, η Lactuca saligna, η κενταύρια Centaurea graeca ceccariniana, ο Cyperus michelianus pygmaeus, η σιληνή Silene ungeri, o Petasites hybridus, η Cionura erecta, η βιόλα Viola odorata, το κυκλάμινο Cyclamen hederifolium, η Bassia hirsuta, η Potentilla micrantha και οι ορχιδέες Himantoglossum caprinum, Dactylorhiza saccifera, Anacamptis pyramidalis, Cephalanthera damasonium, C. longifolia και Ophrys apifera.

Η ορνιθοπανίδα περιλαμβάνει δεκάδες είδη που διαδέχονται το ένα το άλλο ανάλογα με την περιοχή. Από τα αρπακτικά στα ψηλά και στα Τέμπη ζούνε φιδαετοί, μπούφοι, ξεφτέρια, βραχοκιρκίνεζα, πετρίτες και σφηκιάρηδες, κοντά στις εκβολές υπάρχουν καλαμόκιρκοι, ενώ σε όλο το μήκος του συναντά κανείς κιρκινέζια, γερακίνες, αετογερακίνες, σαΐνια, λιβαδόκιρκους, βαλτόκιρκους, δεντρογέρακα, κ.ά. Στα χωράφια κοντά στο ποτάμι ζούνε λευκοί πελαργοί, σταχτοτσικνιάδες, αργυροτσικνιάδες, κάργιες και χαβαρόνια. Άλλα σημαντικά είδη του Πηνειού είναι οι νεροκότσυφες, οι δεντροτσοπανάκοι, οι βραχοτσοπανάκοι, οι σταχτοσουσουράδες, οι αλκυόνες, οι κίσσες, τα σιρλοτσίχλονα, οι κοκκινοκεφαλάδες, οι αετομάχοι, οι γαλιάντρες, οι κούκοι, οι σταρήθρες, τα αηδόνια, οι γαλαζοπαπαδίτσες, οι αιγίθαλοι, οι θαμνοτσιροβάκοι, οι μαυρομυγοχάφτες, οι κοκκοθραύστες, τα σκαρθάκια, τα λούγαρα, οι πετροτουρλίδες, οι χαλκοκουρούνες, οι μελισσοφάγοι, οι αμπελουργοί, οι στρειδοφάγοι και τα νεροχελίδονα.

Από τα αμφίβια στον ποταμό ζουνε κοινοί τρίτωνες, σαλαμάνδρες, πρασινόφρυνοι, γραικοβάτραχοι, λιμνοβάτραχοι, δεντροβάτραχοι και κιτρινομπομπίνες ενώ η ερπετοπανίδα είναι μεγάλη και περιλαμβάνει βαλτοχελώνες, ποταμοχελώνες, μεσογειακές χελώνες, αβλέφαρους, κονάκια, κυρτοδάκτυλους, τρανόσαυρες, σαύρες της Ρούμελης, τοιχογουστέρες, σαΐτες, στεφανοφόρους, λαφιάτες, σαπίτες, νερόφιδα, λιμνόφιδα και οχιές. Οι βίδρες είναι κοινές σε όλο σχεδόν το ποτάμι, ενώ στα δάση στα ψηλά πριν την Καλαμπάκα, ζούνε αρκούδες, λύκοι, ζαρκάδια και αγριόγατοι. Άλλα θηλαστικά είναι οι αγριόχοιροι, οι αλεπούδες, οι ασβοί, τα κουνάβια, οι νυφίτσες, οι σκίουροι και οι δεντρομυωξοί.

Ο Πηνειός διακρίνεται για την εξαιρετικά πλούσια ιχθυοπανίδα του που περιλαμβάνει 29 είδη. Από αυτά ξεχωρίζουν ο γουλιανός (Silurus glanis), το Θεσσαλόσιρκο (Alburnus thessalicus), η σαρδελομάνα (Alosa fallax), το χέλι (Anguilla anguilla), η μακεδονική μπριάνα (Barbus macedonicus), η πεταλούδα (Carassius gibelio), η τούρνα (Esox lucius), το αγκαθερό (Gasterosteus gymnourus), ο φεροκωβιός (Gobio feraeensis), ο Θεσσαλογωβιός (Knipowitschia thessala), το μαυροτσιρώνι (Pachychilon macedonicum), η πέρκα (Perca fluviatilis), το βαβούκι (Rhodeus meridionalis), το μυλωνάκι (Romanogobio elimeius), το τσιρώνι (Rutilus rutilus), η χρυσοβελονίτσα (Sabanejewia balcanica), η μακεδονική βελονίτσα (Cobitis vardarensis), η ποταμοσαλιάρα (Salaria fluviatilis), η κοκκινοφτέρα (Scardinius erythrophthalmus), ο μακεδονικός ποταμοκέφαλος (Squalius vardarensis), το γλήνι (Tinca tinca) και η μαλαμίδα (Vimba melanops).