Jednym z pionierów popularyzacji ochrony przyrody na terenach Doliny był niemiecki przyrodnik Paul Robien. Obecnie na terenie Doliny utworzono Międzynarodowy Park Dolina Dolnej Odry celem ochrony unikatowej w skali europejskiej fauny i flory rozlewisk Odry. Tworzy go Park Krajobrazowy Dolina Dolnej Odry wraz z niemieckim Parkiem Narodowym Doliny Dolnej Odry (niem. Nationalpark Unteres Odertal). W południowej części zlokalizowano Cedyński Park Krajobrazowy. Dolina Dolnej Odry objęta jest ochroną europejskiej sieci ekologicznej Natura 2000. Wyznaczono tu obszar specjalnej ochrony ptaków „Dolina Dolnej Odry” (PLB320003), a także specjalne obszary ochrony siedlisk: „Dolna Odra” (PLH320037) i „Ujście Odry i Zalew Szczeciński” (PLH320018). Zgodnie z obowiązującą procedurą obydwa obszary posiadają obecnie status obszarów mających znaczenie dla wspólnotyobszary Natura 2000.
Rezerwaty i pomniki przyrody: Rezerwat przyrody Białodrzew Kopicki Rezerwat przyrody Bielinek Rezerwat przyrody Czarnocin Rezerwat przyrody Kanał Kwiatowy Rezerwat przyrody Kurowskie Błota Rezerwat przyrody Olszanka Rezerwat przyrody Uroczysko Święta Rezerwat przyrody Wrzosowiska Cedyńskie Rezerwat przyrody Słoneczne Wzgórza Rezerwat przyrody Wzgórze Widokowe nad Międzyodrzem Krzywy Las (pomnik przyrody) Dolina Miłości w Zatoni Dolnej