La sous-direction de la protection et de la restauration des écosystèmes terrestres est chargée du pilotage de la politique de la biodiversité. Elle encadre la valorisation des milieux terrestres. Elle assure à ce titre la protection de la faune et de la flore sauvages et est en charge de la gestion des espaces naturels. Pour cela, elle définit et organise des réseaux cohérents d'espaces naturels terrestres à haute valeur écologique, anime et coordonne la gestion des espaces naturels et promeut les espaces de connexion écologique pour contribuer à la conservation de la diversité biologique. Elle participe aux négociations européennes et internationales sur ces politiques.

La sous-direction de la protection et de la restauration des écosystèmes terrestres pilote la définition des objectifs stratégiques en matière de préservation de la biodiversité en liaison avec les engagements internationaux de la France. Elle assure le suivi de la stratégie nationale pour la biodiversité. Elle s'appuie sur l'Office français de la biodiversité pour sa mise en œuvre. Elle assure à ce titre le secrétariat du Conseil national de la protection de la nature et du Comité national de la biodiversité.

Elle pilote ainsi la mise en place de programmes de connaissance, l'évaluation et la surveillance de l'évolution des populations d'espèces animales et végétales sauvages, des milieux naturels et des écosystèmes et le repérage de ceux et celles dont la situation nécessite une attention particulière pour assurer le maintien de la diversité biologique, en lien avec l'Office français de la biodiversité. Elle assure la tutelle du Muséum national d'histoire naturelle et du domaine national de Chambord.

Elle est chargée de la préservation des espèces et de la faune sauvage et captive. Elle pilote, toujours en lien avec l'Office français de la biodiversité, la mise en œuvre des programmes et des mesures de préservation et de gestion des populations d'espèces de la faune et de la flore sauvages.

Elle organise la police de la chasse. Elle assure le secrétariat du Conseil national de la chasse et de la faune sauvage. Pour la chasse, elle en réglemente l'exercice, développe l'approfondissement des connaissances et l'amélioration des pratiques ainsi que les compétences et la capacité d'expertise des organismes ou des associations qui interviennent dans ces domaines.

Elle pilote la mise en place de l'accès partagé aux ressources génétiques, la lutte contre les espèces invasives. Elle participe au volet espèces du programme santé-environnement. Elle est chargée du pilotage du contrôle du commerce national et international et de toute forme d'utilisation de la faune et de la flore sauvages.
Dans le cadre de sa mission relative aux espaces protégés, elle développe et valorise les compétences et la capacité d'expertise des gestionnaires d'espaces naturels. Elle favorise le respect et la restauration des équilibres naturels sur l'ensemble des territoires, et notamment dans les espaces forestiers. Elle exerce la tutelle des établissements publics de parcs nationaux, et de l'Office national des forêts. Elle assure un cadre commun aux parcs naturels régionaux et accompagne le réseau des réserves de biosphère. Elle constitue le réseau des réserves naturelles nationales et assure l'animation et la coordination de leur gestion.
Elle s'assure de mise en œuvre au niveau territorial de la politique de la biodiversité et de la stratégie nationale de la biodiversité. Elle pilote la constitution du réseau Natura 2000 et définit les modalités de sa gestion, ainsi que la mise en œuvre de son régime d'évaluation des incidences.