La sous-direction des espaces naturels définit et organise des réseaux cohérents d'espaces naturels terrestres et marins à haute valeur écologique, anime et coordonne la gestion des espaces naturels et promeut les espaces de connexion écologique pour contribuer à la conservation de la diversité biologique. Elle développe et valorise les compétences et la capacité d'expertise des gestionnaires d'espaces naturels.
 Elle favorise le respect et la restauration des équilibres naturels sur l'ensemble des territoires, et notamment dans les espaces forestiers.
 Elle exerce la tutelle des établissements publics de parcs nationaux, de Parcs nationaux de France, de l'Agence des aires marines protégées et de l'Office national des forêts.
 Elle assure un cadre commun aux parcs naturels régionaux et accompagne le réseau des réserves de biosphère.
 Elle constitue le réseau des réserves naturelles nationales et assure l'animation et la coordination de leur gestion.
 Elle constitue le réseau Natura 2000 et définit les modalités de sa gestion, ainsi que la mise en œuvre de son régime d'évaluation des incidences.
 Elle participe à la négociation, au suivi et à la mise en œuvre des engagements internationaux de la France relatifs aux milieux humides et anime la politique de protection et de gestion durable de ces milieux.
 Elle traite de la protection et de la gestion durable des écosystèmes aquatiques d'eau douce, des aménagements ayant un impact sur les milieux, notamment les plans de restauration des poissons migrateurs, ainsi que de l'élaboration des systèmes d'évaluation de l'état des eaux superficielles, notamment pour la directive-cadre sur l'eau.
 Elle assure le secrétariat du comité interministériel des parcs nationaux et celui du Conseil national de la protection de la nature.
 Elle comprend :
 ― le bureau des parcs nationaux et des réserves ;
 ― le bureau de l'intégration de la biodiversité dans les territoires ;
 ― le bureau du réseau Natura 2000 ;
 ― le bureau des milieux aquatiques.