Биоразнообразие – это разнообразие флоры, фауны и среды их обитания. Биоразнообразие необходимо для обеспечения репродуктивной способности видов и обеспечения природных благ для человека. Биоразнообразие включает как охраняемые, так и обычные виды, с которыми горожане контактируют в повседневной жизни. Состояние биоразнообразия считается одним из показателей качества жизни в городах.

Биоразнообразие Таллинна основано на разнообразии и мозаичности ландшафтов и сообществ: глинт, побережья, дюны, леса, альвары, луга, болото, пресноводные бассейны и др. сообщества. В Таллинне сохранились большие экологически активные зеленые зоны, которые многие виды (птицы, летучие мыши, опылители) используют в качестве миграционных коридоров. Охраняемые природные территории с биоразнообразием составляют 19,4% от площади Таллинна и поддерживаются садовыми территориями (12% площади) и вертикальными насаждениями (покрытие кронами деревьев – 22,5%). Несмотря на очень хорошую текущую ситуацию, биоразнообразие в Таллинне по-прежнему сокращается, поскольку по мере сокращения природных территорий оставшиеся зеленые насаждения не приводят к созданию мест обитания эквивалентного объема; новое озеленение (трава, деревья) бесполезно с точки зрения биоразнообразия, количество старых нереновированных зданий и пустырей тоже уменьшается. Суть стратегической цели состоит в том, чтобы не допустить ухудшения биоразнообразия по сравнению с нынешним состоянием. Город старается обеспечить сохранение охраняемых видов растений, произрастающих на территориях застройки, и компенсировать вырубку деревьев и кустарников. Например, при планировании и строительстве необходимо провести дендрологическую оценку и инвентаризацию подседа.

Зеленая сеть и согласованность мест обитания помогают обеспечить, чтобы широко распространенные охраняемые и обычные виды имели возможность перемещаться между местами обитания. Только зеленые зоны достаточного размера, расположенные систематически, обеспечивают функционирование экосистем, что очень важно для качества жилой среды. С точки зрения биоразнообразия также подчеркивается необходимость избегать чрезмерного ухода за зелеными насаждениями. Это ориентир в первую очередь для направления городского ландшафта, которое устанавливает требования по уходу за зелеными зонами. Слово «цветущий» в названии раздела предполагает, что чрезмерный покос снижает видовое богатство.

Помимо зеленых зон, важным аспектом являются синие зоны. В этом разделе для направления охраны окружающей среды ставится цель достичь хорошего состояния водной среды города. При охране поверхностных водоемов основной целью является улучшение экологического и физико-химического состояния крупных водных объектов Таллинна, т. е. обеспечение хорошего экологического состояния на года. Также необходимо сохранить и улучшить природное разнообразие поверхностных водоемов. И водосборный бассейн озера Юлемисте, и водосборная система Таллинна нуждаются в более эффективной защите от загрязнения. Цели защиты грунтовых вод заключаются в сохранении ресурсов грунтовых вод, обеспечении их защиты и качества и предпочтении использования грунтовых вод в районах, уже основанных на запасах грунтовых вод. Также важно увеличить долю самого качественного слоя грунтовых вод в обеспечении населения питьевой водой и создание общегородской системы подземного водоснабжения в кризисных ситуациях. Как морской город, Таллинн обязан выступать за улучшение экологического состояния Балтийского моря. Разумеется, это означает снижение загрязнения воды с суши, а также участие в международном сотрудничестве по улучшению экологического состояния Балтийского моря.

В настоящее время Таллинн является одной из столиц с самым чистым воздухом в Европе. Согласно Всемирному отчету о качестве воздуха 2018 World Air Quality Report, средняя годовая концентрация аэрозолей PM2,5 в атмосферном воздухе Таллинна составила 7,1 мкг/м³, на основании чего Таллинн занимает четвертое место в рейтинге городов мира. В Таллинне есть три станции мониторинга городского воздуха, которые входят в государственную сеть мониторинга и замеряют качество воздуха в разных частях города. Станция мониторинга в Ыйсмяэ в основном измеряет загрязнение воздуха, характерное для спального района. Станция мониторинга в Пыхья-Таллинне характеризует состояние воздуха в промышленной зоне и зоне локального отопления, кроме того, рядом со станцией мониторинга находится важный железнодорожный узел. Третья станция мониторинга находится на улице Лийвалайя и замеряет качество воздуха в оживленном центре города.

На всех трех станциях мониторинга измеряются следующие химические соединения: CO, NOx, O₃, SO₂ и частицы PM10, в Ыйсмяэ также замеряется концентрация частиц PM2,5. Основные загрязнители в Таллинне – частицы PM10 и PM2,5, озон, NOx, SO₂ и CO. Уровень качества воздуха в Таллинне с годами значительно улучшился, а уровень загрязнения стабильно остается ниже норм, установленных Европейским союзом. За последние десять лет количество превышения концентрации озона и частиц PM10 в Таллинне уменьшилось в несколько раз. А среднегодовая концентрация загрязняющих веществ (O3, PM10, NO2) была ниже (часто в 2-4 раза) предельного значения в течение последних десяти лет. Предельные нормы SO₂ и CO в Таллинне ни разу не превышались за последние десять лет. В последние годы уровень PM10 был достаточно стабильным, он превышался в первую очередь на станции мониторинга, расположенной в Кесклинне, где значительная часть загрязнения связана с дорожным движением. Основными источниками загрязнения PM10 в Таллинне сегодня являются транспортные средства (выхлопные газы и износ дорожного покрытия), зимние сыпучие материалы для предотвращения скольжения, местные источники загрязнения и использование твердого топлива (в основном древесины) в домашнем хозяйстве. Повышение уровня озона в Таллинне очень неравномерно, зависит от погоды и количества автомобилей, в то время как уровень концентрации озона ниже при более высоких уровнях NOx от автомобильных выбросов. Таким образом, большее количество автомобилей в городе можно рассматривать как один из факторов снижения концентрации озона, а значит, и причину превышения этого предельного значения в Таллинне.