Øens kerne udgøres af et morænelandskab, og langs kysten findes der flere steder marint forland og strandvoldssletter. Områderne Kloben i sydvest, Lynger i sydøst og Øvre i nord er komplekse strandvoldssystemer med små laguner og vådområder. Strandvoldssystemerne tyder på en jævnlig bølgepåvirkning af kysterne, og under storme opstår der jævnligt overskylstunger. Strandvoldenes orientering hjælper til at bestemme, hvor sedimenterne, som de er opbygget af, stammer fra. Således består de ældste strandvolde af materiale fra områder, som nu ligger i havet, mens de yngste strandvolde er opbygget af materialer, der er transporteret langs kysten fra vestlige, sydvestlige eller sydlige retninger. I dag går sedimenttransporten langs Endelave mod øst, hvilket ses af akkumuleringen af sedimenter på den vestlige side af havnemolen i Endelave By.
To tredjedele af Endelave er opdyrket, mens resten ligger hen som skov, fersk eng, hede, mose og strandeng. Øens nordligste del kaldes Øvre og består af et system af lyngbevoksede strandvolde med mellemliggende fugtige lavninger. Strandeng er den mest udbredte naturtype på øen med store arealer ved bl.a. Flasken i vest, på vestsiden af Øvre og ved Kloben.
Øen har et rigt dyre- og planteliv, som når sin største mangfoldighed på strandengene ved Flasken og mellem de gamle strandvolde på Øvre ved øens nordspids. Strandengenes planteliv omfatter bl.a. slangetunge, strandkogleaks, strandtrehage, strandasters, vingefrøet hindeknæ, strandtusindgylden og jordbærkløver, mens Øvres fugtige lavninger er voksested for arter som brun næbfrø, plettet gøgeurt, klokkelyng, mosetroldurt, rundbladet soldug og vibefedt.
I begyndelsen af marts kan man finde springfrøens ægklumper i øens vandhuller. Den langbenede, brune frø, som når sin danske vestgrænse på Endelave, er vores tidligst ynglende paddeart, og først i april og maj får den selskab af kvækkende strandtudser i strandengenes lavvandede søer.
Fuglelivet er rigt, og alene på strandengene ved Flasken er der iagttaget knap 150 forskellige arter. På strandengene yngler bl.a. strandskade, vibe og rødben, mens havørnen har rede i skoven ved Louisenlund. De lavvandede kystområder og strandengene er desuden vigtige rastepladser for trækkende ande- og vadefugle som mørkbuget knortegås, gråand, pibeand, hvinand, stor præstekrave, hjejle, lille kobbersneppe, alm. ryle, strandskade og rødben.
I en indhegning ved Louisenlund går der dådyr og krondyr, som ved deres græsning skal holde et engareal lysåbent. Ellers gør pattedyrene sig især bemærket ved de mange kaniner, der stammer fra fire par, som blev udsat på øen i midten af 1920’erne. Sæler er desuden talrige omkring Endelave.
Sandrevene Møllegrund og Svanegrund hhv. vest og nord for Endelave er udpeget som sælreservater. Området ved Flasken er trækfuglereservat og i 1968 blev 168 ha af Øvre fredet. Derudover indgår hele øen i habitatområdet Horsens Fjord, havet øst for og Endelave, mens øens kyster er en del af fuglebeskyttelses- og Ramsarområdet Horsens Fjord og Endelave.
