Otajärvi on maamme parhaimpia lintujärviä vesilinnuston laji- ja parimäärissä mitattuna. Järven runsaimmat vesilintulajit ovat telkkä, tavi ja härkälintu. Laulujoutsen pesii Otajärvellä, ja vuodesta 1997 alkaen siellä on pesinyt myös merihanhi. Alueen erikoisen luonteen ansiosta Otajärven karussa eteläpäässä sukeltelee kuikka.

Monet Suomessa harvalukuiset lintuvesilajit, kuten ruskosuohaukka ja luhtakana, pesivät Otajärvellä. Yöhuutelijoista luhtahuitti ja kaulushaikara kuuluvat järven äänimaailmaan. Siihen kuuluvat niin ikään pikkulokit, kurjet ja härkälinnut. Tuoreimpiin pesimälinnustotulokkaisiin kuuluva viiksitimali on pesinyt järvellä 1990-luvun alusta alkaen. Myös järven rantametsissä pesii arvokkaita lintulajeja, kuten pikkutikka ja pyrstötiainen. Lisäksi saalisteleva nuolihaukka, hiirihaukka tai kalasääski on tavallinen näky Otajärvellä.

Monipuolisen linnuston lisäksi Otajärvellä on myös Eu:n luontodirektiivin mukaisia suojeltavaksi tarkoitettuja luontotyyppejä. Otajärvi edustaa luontaisesti rehevää järveä. Lisäksi rannoilla on mm. metsäluhtaa, ja järven eteläpäässä on vanhojen metsien suojeluohjelmaan kuuluva alue.

Järven rehevässä pohjoispäässä on leikattu ja poistettu vesisammalkasvustoa kokeiluluonteisesti. Sammalen poistotyö on ensiapua järven tilan parantamiseksi, mutta se myös antaa tärkeää tietoa poiston vaikutuksista sovellettavaksi muuallakin. Sammalta on leikattu vuosina 1999, 2001 ja 2002 noin 1,5 hehtaarin alalta.

Otajärven ympäristössä on aikanaan ollut rantalaidunniittyjä, jotka laidunnuksen loputtua ovat kadonneet ruovikoiden ja pajujen vallatessa rannat. Rannoille pyritään palauttamaan avointa rantaniittyä niiton ja laidunnuksen avulla. Järven suurimman saaren Iso-Kaskisen rantojen luonnontilaisuutta on palautettu purkamalla vanhat rakennukset.