Besondere Bedeutung hat der See für durchziehende Wasservögel, die im Winter zu Hunderten das Wasser bevölkern. Im Sommer brüten Zwergtaucher, Schwarzkehlchen und Reiherenten. Regelmäßig bevölkern Flussuferläufer, Zwergschnepfen und Bekassinen das Seeufer. Insgesamt konnten bisher 179 (Stand 8/2020) Tierarten am See festgestellt werden, darunter 59, die auf der Roten Liste der vom Aussterben bedrohten Tierarten Niedersachsens notiert sind.
Wichtigste Arten (Auswahl): Schlingnatter, Kreuzotter, Heide-Bürstenspinner, Medizinischer Blutegel
Noch wichtiger ist der Heidesee für die Pflanzenwelt, denn er beherbergt aufgrund seiner extremen Nährstoffarmut Pflanzengesellschaften der sogenannten Heideweiher. Unter anderem kommen Strandling, Gemeiner Igelschlauch (größtes bekanntes Vorkommen in Weser-Ems), Pillenfarn oder der Fadenenzian vor. Größte Besonderheit dürfte das Vorkommen der Vielästigen Glanzleuchteralge (Nitella hyalina). Sie kommt zwar weltweit vor, ist aber in ganz Europa extrem selten und in Deutschland in Kategorie 1 der Roten Liste geführt (vom Erlöschen bedroht). Die Vielästige Glanzleuchteralge hat aktuell 3 Wuchsorte in ganz Deutschland - dabei ist der Versener Heidesee mitgerechnet. Die anderen Wuchsorte liegen in Ostfriesland (Landkreis Wittmund) und bei Baden-Baden. Insgesamt stehen von 131 bekannten Pflanzen 31 auf der Roten Liste und weitere 8 auf der Vorwarnliste - der See beherbergt also botanische Schätze. Mit 5 Armleuchteralgenarten ist er eines der wichtigsten Caraceen-Gewässer der Region.
Der See ist im Allgemeinen nicht frei zugänglich.