La surface du massif forestier et la variété des biotopes qu'il abrite (forêt de feuillus, parcelles de résineux, landes sèches et zones humides) explique la multiplicité des espèces animales et végétales susceptibles d'être rencontrées.

Les mammifères sont richement représentés, parmi lesquels chevreuils, sangliers, renards, écureuils et lapins sont les plus fréquemment observés. Les cerfs manquent cependant à l'appel.

Petit rongeur d'implantation récente, le tamia de Sibérie (Tamias sibiricus) traverse souvent les allées, ou observe le promeneur depuis les hauteurs d'un chêne. Selon la fiche qui lui est consacrée sur le site de l'INPN (Inventaire National du Patrimoine Naturel), cet écureuil allochtone - aussi appelé écureuil de Corée ou du Japon - a été observé pour la première fois en forêt de Sénart en 1978. Son implantation résulte probablement de lâchers d'animaux de compagnie effectués par des particuliers.

La gent ailée est également bien représentée. On entend fréquemment ici et là le cri métallique du pic vert, le tambourinement du pic épeiche et il n'est pas rare d'apercevoir un pic noir. En lisière de forêt, les très agiles et remuantes mésanges à longue queue s'observent souvent en bandes de plus d'une dizaine d'individus tandis que le faucon crécerelle et la bondrée apivore patrouillent au dessus de la plaine des Bergeries.

Le biotope particulier de celle-ci, au terrain sablonneux et à l'épaisse couverture de bruyères abrite nombre de lapins, mais aussi de vipères péliades (Vipera berus), et il est parfois possible d'y rencontrer des mantes religieuses.

Les nombreuses mares et fossés hébergent quant à eux crapauds, grenouilles et tritons.

Les essences principales de la forêt domaniale de Sénart sont surtout constituées de chênes, dont plusieurs sont multicentenaires. Semblable à un gigantesque bonsaï, un chêne de 500 à 600 ans trône ainsi fièrement au centre du carrefour des Quatre Chênes. Il s'agit du vétéran de la forêt depuis la mort du célèbre chêne d'Antin à quelques centaines de mètres de là.