De mange og varierede naturtyper i Lille Vildmose giver området et rigt dyre- og planteliv. Alene fra Tofte Skov og Mose og de tilgrænsende arealer er der registreret knap 700 arter af karplanter. Højmosefladen består af en mosaik af høje tuer og lavtliggende, våde høljer. På de tørrere tuer dominerer hedelyng og revling, mens man i de fugtige høljer kan finde planter som klokkelyng, rosmarinlyng, tranebær, mosepors, multebær, blomstersiv, blåtop og hvid næbfrø samt alle tre danske arter af soldug. I kanten af højmosen ligger laggzonen, hvor højmosens næringsfattige vand blandes med kalkrigt grundvand. Her findes en kantskov med mosebunke, skovfyr, dunbirk og vortebirk.
Insektlivet er rigt og varieret og rummer flere sjældne arter. Der er fundet mindst 27 arter af dagsommerfugle og 25 arter af guldsmede i mosen, mens der alene i Tofte Skov er registreret ikke mindre end 1.545 arter af biller. Mens visse arter som de sjældne markperlemorsommerfugl, stenkløverkøllesværmer, huevandnymfe og månevandnymfe kan ses i de lysåbne områder i Lille Vildmoses skove, knytter arter som bølleblåfugl, moserandøje og moseperlemorsommerfugl sig til de åbne højmoseflader.
I 1999 slog kongeørnen sig ned som ynglefugl i Tofte Skov; som det første sted i Danmark. Et par år efter bosatte yderligere et par sig i Høstemark Skov, og siden da har der næsten hvert år ynglet to par kongeørne i området. Også havørn yngler i dag i Lille Vildmose. Derudover tæller ynglefuglene bl.a. trane, rørdrum, mosehornugle, natravn, hedelærke og rødrygget tornskade, og i Toftesø har skarven en koloni. Om vinteren raster store flokke af sædgæs og sangsvaner i mosen, og de kan især opleves, når de samler sig for at overnatte i Toftesø.
Ud af Danmarks 17 arter af flagermus er de 12 registreret i Lille Vildmose. De hyppigste arter er dværgflagermus, troldflagermus og brunflagermus. Brandts flagermus, frynseflagermus og damflagermus forekommer fast i området, mens pipistrelflagermus, nordflagermus og skimmelflagermus hører til sjældenhederne. Både odder og mink findes ved Toftesø, og i de åbne områder er ræv og ilder almindelige. I skovene findes både brud, lækat, husmår, skovmår og grævling. I hhv. 2016 og 2017 blev Lille Vildmose desuden gæstet af en strejfende guldsjakal.
Vildsvinet, som blev udryddet i Danmark omkring år 1800, findes i det indhegnede område i Tofte Skov og Mose. Bestanden blev indført fra Nordtyskland i 1926 og tæller i dag ca. 150 dyr. Vildsvinene deler Lille Vildmose med både krondyr og rådyr. Derudover fik de i juni 2016 selskab af fem elge, som siden november 2015 havde gået i en indhegning for sig selv. I januar 2017 blev bestanden udvidet med yderligere fem dyr. Med deres naturlige fouragering på træer og buske skal elgene bidrage til at holde moseområderne åbne.