I 2001 blev der fundet 80 forskellige arter vandplanter i og langs med hovedløbet, heraf 10 af de 19 arter af vandaks, som er kendt i Danmark. Desuden fandt man 5 krydsningstyper af vandaks.
Der findes naturligt 28 arter ferskvandsfisk i vandsystemet plus 9 arter, som stammer fra udsætninger eller udslip fra dambrug.
Isfugl, vandstær og bjergvipstjert er nogle af de mest karakteristiske vandløbsfugle. De to sidste yngler kun ved rindende vand.
Vandremuslingen, der stammer fra området omkring det Kaspiske Hav og Sortehavet, blev første gang registreret i Gudenåsystemet i 2006 i Knud Sø. Vandremuslinger er effektive til at filtrere vandet og har nogle steder gjort vandet mere klart. De findes nu i det meste af hovedløbet fra Tørring til Randers.
Hvordan vandremuslingerne vil påvirke vandsystemet på længere sigt, er meget usikkert.