La sous-direction de la protection et de la valorisation des espèces et de leurs milieux est chargée de la connaissance de la biodiversité, de la gestion de la chasse, de la pêche et de la protection de la faune et de la flore sauvages. Elle assure la connaissance, l'évaluation et la surveillance de l'évolution des populations d'espèces animales et végétales sauvages, ainsi que des espèces piscicoles, des milieux naturels et des écosystèmes et le repérage de ceux et celles dont la situation nécessite une attention particulière pour assurer le maintien de la diversité biologique.
 Elle prépare et met en œuvre les programmes et les mesures de préservation et de gestion des populations d'espèces de la faune et de la flore sauvages ainsi que le traitement des questions relatives aux conservatoires botaniques nationaux.
 Elle est chargée du contrôle du commerce national et international et de toute forme d'utilisation de la faune et de la flore sauvages.
 Pour la chasse et la pêche en eau douce, elle en réglemente l'exercice, développe l'approfondissement des connaissances et l'amélioration des pratiques ainsi que les compétences et la capacité d'expertise des organismes ou des associations qui interviennent dans ces domaines.
 Elle organise la police de la chasse et participe à l'organisation de la police de la pêche.
 Elle exerce la tutelle de l'Office national de la chasse et de la faune sauvage et du Muséum national d'histoire naturelle.
 Elle assure le secrétariat du Conseil national de la chasse et de la faune sauvage.
 Elle participe à la négociation, au suivi et à la mise en œuvre des engagements internationaux de la France relatifs à la faune et à la flore sauvages.
 Elle assure le suivi de la stratégie nationale pour la biodiversité.
 Elle comprend :
 ― le bureau de la chasse et de la pêche ;
 ― le bureau de la faune et de la flore sauvages ;
 ― le bureau des échanges internationaux d'espèces menacées ;
 ― le bureau de la connaissance et de la stratégie nationale pour la biodiversité.