Les milieux naturels et la biodiversité, qu’ils soient remarquables ou plus ordinaires, constituent un patrimoine commun à préserver. Ils assurent des fonctions indispensables à toutes les formes de vie et rendent des services essentiels : source d’alimentation, maintien de la qualité de l’eau, de l’air et des sols, patrimoine culturel, espaces propices aux activités de détente et de loisirs…

Les particularités géographiques régionales sont les suivantes :

• une façade maritime bordant l'océan Atlantique ;
• des écosystèmes littoraux abritant de nombreuses zones humides (Brière, marais de Guérande, lac de Grand-Lieu, marais Breton, marais d’Olonne, marais poitevin) ;
• le cours aval et l’embouchure du fleuve Loire ;
• de nombreux fleuves côtiers ;
• des plaines alluviales ;
• des plaines argileuses (les Mauges) et des plaines ou coteaux calcaires (coteaux du Layon, champagne de Méron...) ;
• des massifs forestiers et des paysages bocagers.

La ressource en eau (cours d’eau et nappes d’eau souterraine) est relativement dégradée au sens de la directive européenne cadre sur l’eau, puisque seulement 13 % des masses d’eau sont en bon état. Les trois principales causes de dégradation sont : la qualité physico chimique (nitrates, pesticides), la morphologie des cours d’eau, l’hydrologie.

Du point de vue hydrologique, la région s'articule principalement autour de l'aval du bassin versant de la Loire et du bassin de la Maine, drainant ainsi un réseau hydrographique dense, comprenant notamment la Mayenne, la Sarthe, le Loir, la Sèvre nantaise...  Marquée par la présence de nombreux marais à l'ouest, la région se caractérise également par une façade maritime, tournée vers l'océan Atlantique. De ce fait, la région est particulièrement concernée par le risque inondation et submersion marine.

Le risque industriel majeur est un événement accidentel se produisant sur un site industriel et entraînant des conséquences graves immédiates pour les personnes et l'environnement. Les établissements présentant de tels risques sont dits Seveso, au sens de la directive dite "Seveso III", et sont assujettis à des dispositions spécifiques. En Pays de la Loire, 26 établissements sont classés Seveso II seuil haut et 20 établissements sont classés Seveso II seuil bas. Cinq de ces établissements seuil haut sont installés sur la zone portuaire de Donges et Montoir-de-Bretagne, avec notamment la deuxième raffinerie de pétrole de France et le plus grand terminal méthanier européen.

La maîtrise des consommations énergétiques, plus particulièrement celles d’origine fossile, est une préoccupation majeure, à la fois pour enrayer les émissions dans l'atmosphère de polluants et de gaz à effet de serre qu'elles génèrent, mais également pour se préparer à la diminution et au renchérissement de ces ressources. C'est également un enjeu social, puisque l'augmentation annoncée du coût des matières premières utilisées par les français (pétrole, gaz, uranium) est un facteur de précarité énergétique qui concerne près de 6 millions de ménages en France.

Avec le port de Nantes-Saint-Nazaire et les terminaux méthaniers et charbonniers de Montoir de Bretagne, l’estuaire de la Loire assure environ 10% de l’approvisionnement énergétique de la France.

Si la part des énergies renouvelables reste toujours minoritaire dans le bilan énergétique régional (11% en 2012, quand on vise 21% à horizon 2020), certaines filières, comme l’éolien, le photovoltaïque et les pompes à chaleur, ont connu récemment une forte expansion. Le développement de ces filières est porteur de développement économique pour la région.