Kadriorgin puisto on hyvin lajirikas, koska sieltä löytyy erilaisia elinympäristöjä, kuten niittyjä, alvareita (= luontotyyppi, jossa on hyvin ohut kasvillisuuskerros kalkkikiven päällä) ja Festucetum-tyypin alvareita. Kadriorgin puistosta on löydetty 200 saniaislajia ja siellä kasvaa yli 300 puu- ja pensaslajia. Sieltä on löydetty myös viisi harvinaista kasvilajia: vilukonsararuoste, tunturinurmikka, keltakaura, pensaikkotatar ja ruotsinpoimulehti. Suojelluista kasvilajeista löytyy II suojelukategoriaan kuuluva tunturinurmikka ja III suojelukategoriaan kuuluva niittylaukkaneilikka (virolainen luokittelu).
Kaupunkiluonnon erityisenä esimerkkinä puistosta löytyy seitsemän lepakkolajia: pohjanlepakko, korvayökkö, pikkulepakko, vaivaislepakko, puistolepakko. Se on yksi Pohjois-Viron lajirikkaimmista lepakoiden kesäisistä kokoontumispaikoista. Puistossa on myös lisääntymisalueet. Kaikki lepakkolajit ovat Virossa suojeltuja, minkä vuoksi puistoon on laitettu suojalaatikoita, joihin ne pääsevät tarvittaessa piiloutumaan.
Kadriorgin puisto on yksi Tallinnan linturikkaimmista puistoista. Siellä pesii vuosittain satoja lintupareja ja 30–40 lintulajia. Eniten lintuja pesii törmän reunalla, jossa on runsasta aluskasvillisuutta ja siellä onkin yksi Tallinnan suurimmista lintujen pesintätiheyksistä. Puiston linnusto koostuu pääasiassa ihmisiä pelkäämättömistä lajeista. Runsaimmin pesiviä ovat peippo, räkättirastas, talitiainen, naakka ja mustarastas. Eri lintulajit rakentavat pesiään eri paikkoihin, esimerkiksi oksanhankoihin, puunkoloihin tai suojaisiin paikkoihin maanpinnalla tai pensaissa.
Kadriorgin puistosta löytyy runsaasti luontoarvoja. Huomattavin maanmuodostuma puistossa on Lasnamäen kalkkitörmä, joka on osa Pohjois-Viron kalliota. Kalkkitörmä on kahtena penkereenä. Yläpenger on 10–15 m korkea, jyrkkä rinne, jossa kasvaa leveälehtisiä puita. 3-5 m korkea alapenger on kulunut hiekkakiveksi ja peittynyt kvaternaarisedimentillä. Puiston koillisnurkassa on 5-6 m syvyinen rotko nimeltä Hundikuristik, jonka on kalkkitörmään muokannut runsasvetinen puro. Rotkon alkupäässä on noin 2,5 m korkea pieni putous.
