Vallisaari tunnetaan lehtipuu- ja lehtovaltaisena, villinä ja luonnontilaisena luontokohteena. Keväällä lehdot kukkivat valkoisina ja vihreinä valkovuokoista, lehtotähtimöistä sekä kieloista ja ilma on vuolaana satakielten ja kultarintojen vireää viserrystä. Loppukesällä ihastuttavat ketokukat kuten ketoneilikat ja noidanlukot kukoistavat saaren länsiosan linnoitusniityillä ja kalliokedoilla.
Tykkipatterien valliniityt ja kalliokedot ovat Vallisaaren jopa 1000 perhoslajin kotiseutua. Niistä yli 100 on uhanalaisia tai harvinaisia. Vallisaari toimii astinkivenä eteläisille perhoslajeille, joille saaren lämpimät niityt ja jalopuumetsiköt tarjoavat keskieurooppalaiset elinolot. Paahteisten ketojen hiekkapohjissa vilistää myös yleensä hiekkarannoilta tavattavaa kovakuoriaislajistoa, kuten hietakeräkärsäkkäitä.
