Η Μήλος διαθέτει σπάνια είδη πανίδας και χλωρίδας, μεγάλο αριθμό οικοτόπων, μοναδικούς γεωλογικούς σχηματισμούς και ανεκτίμητο ορυκτό πλούτο.

Η Δυτική Μήλος, που έχει ενταχθεί στο δίκτυο Natura 2000 της Ε.Ε.,  διατηρεί ένα σημαντικό αριθμό σπάνιων και απειλούμενων ενδημικών ειδών ερπετών, πουλιών και ασπόνδυλων. H περιοχή θεωρείται μοναδική λόγω της παρουσίας δύο προστατευομένων ειδών προτεραιότητας της Ευρωπαϊκής Ένωσης: της Οχιάς της Μήλου και της Μεσογειακής Φώκιας.

Οι βραχώδεις σχηματισμοί της ακτογραμμής και οι απόκρημνες πλαγιές του νησιού αποτελούν φυσικά καταφύγια για αρκετά είδη πανίδας και χλωρίδας, ενώ, μαζί με τις κορυφές του Προφήτη Ηλία φιλοξενούν τις φωλιές σπάνιων αρπακτικών πουλιών.

Η Μήλος χαρακτηρίζεται από πολύμορφους βραχώδεις σχηματισμούς, όπως οι ογκόλιθοι του «Κλέφτικου» που ξεπροβάλλουν μέσα από τη θάλασσα, οι ηφαιστειακές βραχονησίδες «Αρκούδες» και οι κάθετες ηφαιστιογενείς «βέργες» - γνωστές ως «Γλαρονήσια».

Πολλά είναι και τα σπήλαια του νησιού – ανάμεσά τους οι σπηλιές του «Παπαφράγκα» και της «Βρωμολίμνης» - που χρησιμοποιήθηκαν ως ορμητήρια πειρατών, χώροι μυστικής λατρείας και κρυψώνες σε καιρό πολέμου.