Paisagem Protegida Local considerada um geomonumento de rara beleza natural, este afloramento rochoso notável, no Barrocal Algarvio, tem a forma de uma cornija escarpada de calcários muito duros, cujo planalto tem aproximadamente 2 km de extensão, atingindo uma altitude máxima de 479 metros, impondo-se na sua vertente sul escarpas ingremes com cerca de 50 metros de altura.

Uma das maiores riquezas desta área protegida é a elevada diversidade de flora que alberga, tendo sido já identificadas (em herbário) mais de 500 espécies, entre as quais estão espécies raras ou com interesse científico e para a conservação como por exemplo a espécie Doronicum tournefortii, endemismo lusitânico com poucos núcleos populacionais conhecidos no país, sendo que a maior população conhecida no Algarve se encontra nos bosques de azinheiras que se distribuem ao longo da Rocha da Pena.

Nas encostas, a sul do maciço calcário, encontramos bosques mistos de alfarrobeiras (Ceratonia síliqua), zambujeiros (Olea europaea var. sylvestris) e azinheiras (Quercus rotundifolia), e também de carvalho-cerquinho (Quercus faginea subsp. broteroi) na encosta Norte. No planalto calcário dominam os matagais de zimbro (Juniperus turbinata) e carrasco (Quercus coccifera), onde crescem espécies raras e endémicas como o narciso (Narcissus calcicola) e o jacinto-azul-do-barrocal (Bellevalia hackelli). Uma das espécies mais abundantes e típicas destes matos mediterrânicos é a palmeira-anã (Chamaerops humilis) ou palmeira-das-vassouras, a única palmeira espontânea da europa, utilizada no fabrico de artesanato. Junto aos caminhos e, sobretudo nas clareiras, crescem plantas aromáticas como o rosmaninho (Lavandula stoechas subsp. stoechas), o alecrim (Salvia rosmarinus), o funcho (Foeniculum vulgare), o teucrium e tomilhos vários.

O mosaico de vegetação e a orografia da Rocha da Pena possibilitam a existência de uma grande variedade de animais. Das cerca de 120 aves já inventariadas, destacam-se as aves florestais e as aves de rapina. Espécies como a águia-perdigueira (Aquila fasciata), a águia-de-asa-redonda (Buteo buteo), o peneireiro (Falco tinnunculus) ou o falcão-peregrino (Falco peregrinus), são aves de rapina que aqui nidificam ou são visitantes regulares. Na época da migração, é possível avistarem-se outras rapinas, como a águia-calçada (Aquila pennata), a águia cobreira (Circaetus gallicus), o gavião (Accipiter nisus) e até o grifo (Gyps fulvus) que pode surgir em grandes bandos. Nas zonas pedregosas, com sorte, poderá observar-se o tímido melro-azul (Monticola solitarius), que nidifica nas vertentes rochosas. Poderão observar-se ocasionalmente coelhos (Oryctolagus cuniculus) e ouriços-cacheiros (Erinaceus europaeus) que por aqui vivem, mas quanto a outros, como o javali (Sus scrofa) ou os carnívoros gineta (Genetta genetta) e raposa (Vulpes vulpes), o mais comum é observarem-se as pegadas ou dejetos, pois são mais ativas durante o período noturno.

Nos mamíferos voadores verifica-se a ocorrência de várias espécies de morcegos destacando-se uma importante colónia de morcego-rato-pequeno (Myotis blythii), um dos mais raros morcegos de Portugal.

Destaque também para algumas espécies de anfíbios como a salamandra-de-costelas-salientes (Pleurodeles waltl), a rã-verde (Pelophylax perezi) ou o sapo-comum-ibérico (Bufo spinosus) e de répteis: cobra-de-ferradura (Hemorrhois hippocrepis), sardão (Timon lepidus) e lagartixa-do-mato-ibérica (Psammodromus hispanicus).

É ainda possível observar insetos de rara beleza como a borboleta-carnaval (Zerynthia rumina), a borboleta-zebra (Iphiclides feisthamelii) ou a cauda-de-andorinha (Papilio machaon) e libelinhas e libélulas como a libélula-púrpura (Trithemis annulata) e o imperador-azul (Anax imperator).