Titicaca on Ramsarin sopimuksella suojeltu vesialue vuodesta 1998 asti. Siellä elää yli kuusikymmentä lintulajia, muun muassa flamingoja ja uhanalainen endeeminen lentokyvytön titicacanuikku ("Rollandia microptera"). Luontaisia kalalajeja ovat killit, muun muassa "karachi" ("Orestias ispi") ja monnikalojen heimon "Trichomycterus"-sukuun kuuluva "boga"; 1930-luvun lopussa järveen istutettiin taimenia ja makrilleja. Noin 90 prosenttia järven kalalajeista on endeemisiä. Titicacajärven endeeminen sammakko ("Telmatobius culeus") voi kasvaa kilon painoiseksi ja jopa 50 senttimetriä pitkäksi.