Die gesamte Wasserfläche der Möhnetalsperre dient als Rast- und Brutplatz für Wasservögel und ist deshalb als Vogelschutzgebiet ausgewiesen. Der südliche Teil des Möhnesees, Hevearm und Hevesee (Hevevorbecken), stehen zusätzlich unter Naturschutz.

Der vorwiegend im Süden an die Talsperre angrenzende Wald hält im Vergleich zu anderen Vegetationsformen intensive Niederschläge am besten zurück und hilft mit, Hochwasser zu vermindern. Zudem wird der Niederschlag durch die Bodenpassage gereinigt und ein Bodenabtrag verhindert. Die angrenzenden Wälder der Möhnetalsperre befinden sich daher zu großen Teilen im Eigentum des Ruhrverbands. Sie werden durch eigenes Personal naturnah bewirtschaftet, um eine maximale Schutzwirkung für die Talsperre zu erzielen.

Aufgrund der wasserwirtschaftlichen Versorgungsfunktion der Talsperre kann der Stauspiegel in der Talsperre erheblich schwanken. Daher stellt sich an den Ufern des Möhnesees nur eine geringe Vegetation ein. Die ungeschützten steilen Böschungsflächen werden durch Wellenschlag abgetragen. Um dies zu verhindern, sind über die Hälfte der Ufer durch Steinschüttungen, Pflasterungen oder Ufermauern befestigt. In den letzten Jahren wurden die Ufer aber auch im Sinne der Verbesserung der ökologischen Auswirkungen ingenieurbiologisch, also beispielsweise durch spezielle Uferbepflanzungen, geschützt.

Die speziellen Bedingungen der Talsperre und die dadurch eingeschränkte Ufer- und Unterwasservegetation lassen es auch nicht zu, dass sich langfristig auf natürlichem Wege ein ausgewogener Fischbestand einstellt. Daher wird der Fischbestand der Talsperre durch Fischwirte des Ruhrverbands bewirtschaftet. Sie kontrollieren die Bestandsentwicklung der einzelnen Fischarten, reduzieren im Bedarfsfall Massenfischarten wie die kleine Maräne und züchten in der Fischaufzuchtstation Möhnesee-Körbecke den benötigten Fischbesatz für die Möhnetalsperre und die anderen Ruhrverbandstalsperren. Seit einigen Jahren bilden Schwebgarnelen, die aus der Schwarzmeerregion eingewandert sind, in der Möhnetalsperre dichte Bestände.