Третья особенность: разнообразие условий произрастания, создаваемое рельефом, способствует сохранению в Ильменах ряда реликтовых (древних) растений, отражая историю изменения флоры местности в разные геологические эпохи. Например, на заповедных болотах встречаются такие северные (тундровые и таежные) растения, как береза низкая, морошка, голубика. На горных склонах остались растения «приледниковой степи» — овсец пустынный, лисохвост сизый и другие. Ледник не покрывал Ильмены полностью, и здесь сохранились представители доледниковой растительности.
Особо тщательной охране от вмешательства человека подлежат исчезающие лесные сообщества Ильменских гор, представленные коренными (первичными) типами леса восточных предгорий Ильменского хребта:
1) сосняк-зеленомошник бруснично-черничный, в котором нашли убежище редкие растения темнохвойной тайги, занимавшей в прошлом приозерные районы Ильмен: гудайера ползучая, княжик сибирский, линнея северная, кислица обыкновенная и редкие папоротники — диплазий сибирский, щитовник Линнея;
2) лиственничные леса заповедника, сохранившиеся в виде небольших участков по вершинам и северным склонам Ильменского хребта, куда она оттеснена сосной. Травостой этих лесов включает и группу реликтовых видов: чину Гмелина, герань ложносибирскую, соссюрею спорную, медуницу мягчайшую, горечавку бородатую, а также овсец пустынный. В этих же лесах произрастают эндемики Ильмен: мокричник Гельма, гвоздика иглолистная, бороздоплодник исетский, шиверекия горная, остролодочник близкий.
Большой научный интерес представляет группа аркто-альпийских и гипоарктических видов растений, сохранившаяся со времени максимального оледенения Урала в плейстоцене (Русяева, 1984): мытник мутовчатый, лапчатка снежная, ивы филиколистая и лопарская, пушица влагалищная и некоторые папоротники.
Группа эндемичных растений Ильменского заповедника насчитывает 22 вида (Русяева, 1982). Из высокогорных эндемиков в заповеднике встречается только один вид — ветреница пермская, которая растет в сосновых и березовых травянистых лесах, на горно-ключевых лугах. Также одним видом — цицербитой уральской,— обитающим в сырых осиновых и березовых лесах, горно-ключевых лугах, представлены эндемики широколиственных лесов. Одиннадцать видов относятся к группе горно-степных и скальных эндемиков:
астрагал Клера — встречен только один раз на севере заповедника;
остролодочник близкий — растет по склонам Ильменского хребта;
бороздоплодник исетский — на скалистых вершинах гор;
мокричник Гельма — на хребте, в расщелинах скал;
гвоздика иглолистная — на сухих скалистых склонах;
серпуха Гмелина — встречается редко на остепненных склонах, сухих логах;
жабрица порезниковая — растет в лесах, на лугах, остепненных склонах;
пырей отогнутоостный — очень редок в горных степях, сухих борах;
шиверекия горная — растет по миаскитовым склонам хребта;
волоснец зеленочешуйчатый — встречается изредка на высокогорных лугах, в разреженных березняках;
волоснец уральский — собран однажды на разнотравном лугу.
Этот список может быть дополнен девятью видами эндемичных манжеток, описанных впервые для флоры СССР С. Юзепчуком в Ильменском заповеднике в 50-е годы. Из растений Ильмен, включенных в Красную книгу СССР, более 30 редких и исчезающих видов. Среди них преобладают декоративные и лекарственные растения, популяции которых наиболее сильно пострадали от человека (см. Приложения).
Животный мир Ильменских гор представлен фауной переходной зоны гор Южного Урала к лесостепи Западной Сибири. Почти все виды зверей и птиц, свойственные Уральским горам, встречаются и в Ильменах.
Ко времени образования заповедника численность животных на данной территории была очень низкой, что, кстати, вообще характерно для всего Урала и Зауралья. Причин тому много, но главная из них — истребление животных человеком. У копытных, например, наблюдаются постоянные переходы с Урала на Ильмены и обратно: лоси в начале весны движутся с Большого Урала в Ильмены, а осенью, в начале зимы,— в обратном направлении. Косули, наоборот, в начале зимы уходят с Урала через Ильмены на восток, в лесостепь. Мигрирующие животные подвергались преследованию людей, которые загоняли их по глубокому, оледенелому снегу и истребляли тысячами. В конце 20-х годов в Ильменах косули встречались очень редко, а лосей не было совсем. Примерно с 1930 года отмечено уменьшение численности глухаря, тетерева и куропатки, составлявших солидный промысел у местного населения. Почти одновременно стала сокращаться популяция зайца-беляка: его ловили капканами по всему Ильменскому хребту, причем некоторые охотники добывали по 30—40 штук за день. И только с 1935 года, когда заповедник стал комплексным, животные нашли здесь защиту, что не могло не сказаться положительным образом на их численности.