Stora Karlsö är ett naturreservat med ett rikt fågelliv. Stora kolonier av sillgrissla och tordmule häckar med tusentals par på ön. Andra vanliga fåglar är ejder, svärta, gråtrut och silltrut. Öns rika flora innehåller flera sällsynta arter som t ex våradonis, karlsösallat och gotlandsnunneört.