Náttúra Elliðaárdals er merkileg, ekki síst vegna áhugaverðra jarðminja. Þar má vel sjá áhrif ísaldar með tilheyrandi framskriði jökla sem og hækkun sjávarborðs á hlýskeiðum. Þetta endurspeglast í jökulsorfnu grágrýti,  sjávarsethjöllum og setlögum með sjávarsteingervingum í Elliðavogi. Einnig eru ummerki um nýlegri eldsumbrot en um dalinn liggur Leitahraun, sem er um 5200 ára gamalt, og rann úr hraungíg í Bláfjöllum. Hraunið myndaði m.a. Rauðhóla þegar það rann yfir votlendi við Elliðavatn en niður Elliðaárdal rann hraunið hratt og myndaði breiða hraunþekju ofarlega í dalnum. Neðar í dalnum þar sem hann er þrengri myndar hraunið fallega umgjörð um árnar þar sem hún fellur í flúðum og fossum niður brattann.

Gróðurfar er mjög fjölbreytt og gróskumikið í Elliðaárdal. Þar má sjá náttúruleg gróðurlendi af ýmsum toga en einnig er ræktað skóglendi ríkjandi og áhrif garðyrkju og landbúnaðar áberandi. Helstu gróðurlendi í dalnum eru mýrar, mólendi, valllendi og ræktuð tún, blómlendi og skóglendi. Fundist hafa yfir 180 tegundir plantna í dalnum, sem er mjög há tala fyrir eitt svæði á Íslandi en þar eru slæðingar stór hluti, en það eru plöntur sem hafa borist frá manninum t.d. úr nálægum görðum. Mýrar og önnur votlendi eru einkum að finna ofarlega í dalnum nálægt Elliðaánum. Ræktuð tún eru víða, sérstaklega nálægt athafnasvæðum t.d. við Rafstöðina. Stærstu ræktuðu trjálundirnir eru í Árhólmunum, í Sveinbjarnarlundi og Breiðholtshvarfi. Lúpína er nokkuð útbreidd í dalnum.

Fuglar eru hvað mest áberandi af dýralífi Elliðaárdals. Með auknu umfangi trjágróðurs og meiri nálægðar við byggt umhverfi hefur fuglalífið í dalnum breyst og minna er um mólendisfugla en á árum áður. Spörfuglar sem sækja í skóg- og kjarrlendi eru mjög algengir einkum skógarþröstur og auðnutittlingur en maríuerla, þúfutittlingur, svartþröstur og stari eru líka áberandi. Sjaldgæfari tegundir sem þó sjást reglulega eru t.d. glókollur, krossnefur og barrfinka. Vatnafuglar eru einnig áberandi einkum nálægt Elliðaánum og ofan stíflu hafa t.d. álft og ýmsar andategundir verpt – þar eru stokkönd og skúfönd algengastar. Straumendur sjást reglulega ofarlega í dalnum nálægt útfalli úr Elliðavatni. Toppendur og gulendur sjást gjarnan við árnar og við ósana á veturna. Grágæsir eru mjög algengar í dalnum og verpa víða. Kríur eru algengar á sumrin og lítið kríuvarp er neðarlega í dalnum. Máfar eru mjög áberandi, aðallega hettumáfar og sílamáfar. Hrossagaukar og stelkar verpa í dalnum á sumrin og spói sömuleiðis. Heiðlóur eru ekki eins áberandi og áður en sjást þó í töluverðum mæli á fartíma. Tjaldur, sandlóa, jaðrakan og lóuþræll eru reglulegir gestir meðal vaðfugla. Hrafnar eru algengir gestir, einkum á veturna og rjúpur sjást einstaka sinnum sem og ránfuglar eins og smyrill, fálki og brandugla.

Minkar sjást stundum í Elliðaárdal en af öðrum spendýrum má aðallega nefna kanínur en allstór kanínustofn er í dalnum en þær eru afkomendur gælukanína sem var sleppt lausum. Flestar halda sig neðan við stíflu nálægt Breiðholtinu.  Í Elliðaánum er mikið fiskalíf og ríkir laxinn þar en urriði og áll finnast einnig í ánum. Bæði bleikja og hornsíli finnast í Elliðavatni.

Mikið smádýralíf er í Elliðaárdal enda fjölbreytni búsvæða mikið þar sem gróðurfar er margs konar og áhrif Elliðaánna setja einnig svip sinn á smádýralífið. Rykmý og bitmý eru t.d. áberandi á sumrin sem og vorflugur en öll þessi skordýr reiða sig á vatnið þar sem lirfurnar dvelja þar. Í trjágróðrinum dvelja margs konar skordýr allt frá blaðlúsum til bjallna og fiðrildalirfur eru áberandi á sumrin og geta valdið skaða á laufi trjánna. Á jörðu niðri eru köngulær og langfætlur víða, sem og bjöllutegundir eins og járnsmiðir og jötunuxar. Sniglar, ánamaðkar, margfætlur o.fl. smádýr finnast í jarðveginum og grasrótinni. Humlur, geitungar og sveifflugur eru áberandi yfir sumartímann og sækja í blómasafa og frjókorn.