Město leží na rozhraní Vsetínských vrchů a Javorníků v nadmořské výšce 465 m (Bečva nad jezerem Stanovnice) až 1019 m (Malý Javorník). Svou rozlohou 4 215 ha patří k velkým obcím okresu. Hlavní část sídla leží v údolí Vsetínské Bečvy, četná rozptýlená zástavba v přilehlých bočních údolích a na svazích - zejména ve Stanovnici a nad Pluskovečkem. Významná je přítomnost zachovalých původních dřevěných lidových staveb.
Lesy pokrývají 71 % plochy a v rámci okresu Vsetín z hlediska lesnatosti obec zaujímá druhé místo. Ve srovnání s jinými obcemi se zde zachovalo i větší množství lesů s přirozenou skladbou dřevin, tzn. s výrazným zastoupením buku, místy i s jedlí. Z hlediska přírodního se nejzachovalejší lesní porosty nacházejí v jižních částech údolí Stanovnice, dále v Raťkově a v Kobylské. Ochrana přírody má na některých lokalitách, zejména v případech s vysokým podílem přestárlých stromů, významný zájem na jejich zachování. Jedná se zejména o zbytky pralesovitých porostů Vachalka (mezi údolími Kobylská a Raťkov) a Smradlavý (Raťkov), ale zachovalé lesní porosty se nacházejí také na svazích Malého Javorníku a na Stanovnické Kýčeře. Ve všech starších lesích s bukem se nachází vzácná fauna, z nápadnějších druhů ptáků jsou přítomni zejména čáp černý, holub doupňák, žluna šedá a datel černý.
Největším tokem protékajícím hlavním údolím je Vsetínská Bečva, která je plně zregulována. V bočních údolích se nacházejí drobné potoky, některé z nich mají zčásti pěkné meandrující úseky s přirozenými břehy (z větších potoků např. Kobylská). Na některých drobných vodotečích pod Malým Javorníkem se nacházejí nádherná kamenitá řečiště (např. jižně od Skaličí), samotné prameniště pod hřebenem je již tvořeno bahnitými místy s kališti zvěře a zajímavou flórou (většinou leží již na slovenské straně hranice). V údolí Stanovnice se nachází největší nádrž v okrese (rozloha 50 ha), která je zdrojem velmi kvalitní pitné vody pro okresy Vsetín a Zlín (biota nádrže je podrobně probrána v jiných kapitolách).
V katastru Karolinky se nachází bohatá flóra, nejzachovalejší je na některých květnatých loukách drobných zemědělců, kde nebyla hnojením, rekultivacemi či melioracemi v minulých desetiletích zničena. V katastru obce najdeme celkem 11 druhů orchidejí, nejhojnější z nich je vstavač mužský, který roste i ve stovkách jedinců v údolí Malá Kobylská, místy ještě ve Stanovnici a na začátku Raťkova, v menším množství kvete dosud na většině luk, které nebyly v minulosti poškozeny nevhodnými zásahy. Nejvzácnější orchidejí v katastru je vstavač bledý, v 90. letech kvetl na jednom místě ve Stanovnici a jednou byl nalezen východně nad městem v údolní nivě Bečvy; jedná se vůbec o nejvýše položený výskyt v povodí Vsetínské Bečvy. Ke vzácnějším druhům orchidejí patří kruštík bahenní (roste na několika mokřadních stanovištích ve Stanovnici) a žlutě nebo červeně kvetoucí prstnatec bezový, který roste na sušších místech s chudou vegetací (najdeme jej místy ve Stanovnici, nad Pluskovečkem,v Raťkovečku a mezi Raťkovem a Malou Kobylskou). Prstnatec bezový se v minulých staletích vyskytoval běžně na všech pastvinách ovcí a koz v okolí obce, v současnosti je ohrožen vyhynutím v důsledku absence pastvy a zalesňováním. Z dalších orchidejí nalezneme místy na loukách hlavinku horskou, pětiprstku žežulník, vemeník dvoulistý aj. Z dalších ohrožených druhů rostlin se vyskytuje vachta trojlistá (jedno naleziště je ve Hrubé Stanovnici), měsíčnice vytrvalá (v bučině na horním konci Hrubé Stanovnice je bohatá populace s tisíci jedinci), lilie zlatohlavá (Kobylská), sněženka podsněžník (Kobylská), kamzičník rakouský (Kobylská), áron karpatský (Kobylská). Na bývalé pastvině Baranářka podél vrcholové části hlavního hřbetu Javorníků, východně od Malého Javorníku (již mimo okres těsně za státní hranicí) se nachází ojedinělé refugium horské květeny s bohatší populací chrpy javornické (v ČR již vyhynula zánikem její poslední lokality na Kohútce), pryskyřníku platanolistého a kýchavice Lobelovy, vyskytuje se tam rovněž lilie zlatohlavá a na prameništi blíže ke katastru Karolinky také starček potoční. Ojedinělá společenstva lišejníků, s mnoha na Vsetínsku vzácnými druhy, se nacházejí na kamenných hromadách v údolí Stanovnice. Bohatou květenou oplývají jalovcové pastviny, po ukončení pastvy dobytka však pestrá květena na těchto stanovištích pozvolna mizí.
Invazní rostliny. Určitým nebezpečím je šíření dvou zavlečených druhů rostlin - bolševníku velkolepého (byl před několika desetiletími vysazen u hájenky na horním konci údolí Kobylská, později se dostal i do okolí nádrže Stanovnice a řeky Bečvy) a křídlatky japonské (ta se vyskytuje zejména podél toků). Oba uvedené druhy musí být důsledně likvidovány, aby se zamezilo jejich dalšímu šíření. K zavlečeným rostlinám patří i exoticky vyhlížející náprstník červený, který roste v Kobylské.
Na území katastru se nachází bohatá mykoflóra, ze vzácnějších druhů hub se v pralesích Vachalka a Smradlavý vyskytují např. bělochoroš našedlý, ryzec bledý, ryzec křídlatovýtrusý, holubinka bílá, holubinka bez-mléčná, ohňovec škeblovitý a houžovec bobří. Významné mykologické lokality se nacházejí ve Stanovnici, Raťkově, Kobylské a v okolí Malého Javorníku.
V katastru města jsou četné stromy památného významu. K nejvzácnějším bezesporu patří starý tis rostoucí ve Hrubé Stanovnici. V 90. letech byly nedaleko od něj nalezeny další dva menší tisy. Ve městě a jeho blízkém okolí najdeme větší množství starých vzrostlých lip, např. v dolní části Pluskovečku, nad Pluskovečkem ve Strčkové, v Raťkovečku a u dřevěných chalup Orságů pod hrází Stanovnice a jinde. K pozoruhodným stromům patří také několik velkých jilmů, jeden roste uprostřed obce za hasičskou zbrojnicí, další na dolním konci Raťkovečku a třetí v údolí Stanovnice, pod odbočkou na Skaličí. Vzácné jsou v obci i větší duby, jeden roste v památkovém souboru chalup na začátku Raťkova a druhý se široce rozložitou korunou ve Stanovnici, v údolíčku jihovýchodně za hasičkou zbrojnicí. Mohutné jasany se nacházejí u samoty na vrcholu západně nad hrází nádrže Stanovnice. Význačný jalovec o výšce asi 4 m roste na Kání ve Stanovnici. Většina z uvedených stromů si zaslouží plnou ochranu.
Fauna v katastru je relativně velmi bohatá a je výrazně ovlivněna i nadprůměrnou kvalitou lesního prostředí.
Ze známějších savců se v lesích nebo jejich okolí pravidelně vyskytují srnec, prase divoké, jelen, liška, kuna lesní a jezevec. Přímo v okrajových částech městské zástavby je četná kuna skalní a ježek. Pozoruhodností i z hlediska České republiky je současný výskyt čtyř vzácných a zákonem chráněných velkých šelem. Medvěd se v posledních třiceti letech již vyskytuje každoročně (zejména v části katastru ležící v Javorníkách a Vsetínských vrších podél hlavního hřebenu). Vydra je vázána zejména na nádrž ve Stanovnici a na Bečvu pod městem, kde nachází dostatek potravy (1 pár). Rys se v okolních horách pravidelně vyskytuje od počátku 70. let a úspěšně se zde v některých letech i rozmnožuje (zejména Kobylská a Stanovnice). Vlk se nepravidelně vyskytuje podél hlavního hřebene Vsetínských vrchů a Javorníků od roku 1995. Trvalejší přítomnost těchto šelem svědčí o vysoké zachovalosti zdejšího přírodního prostředí. Z drobných savců je nejzajímavější výskyt myšivky horské ve Stanovnici - Skaličí. Pravidelně se vyskytují netopýři, přímo v centru obce byl např. zjištěn netopýr velký (letní kolonie na půdě obytného domu) a netopýr severní, ve Stanovnici netopýr velký a netopýr brvitý (na půdě dřevěné chaty).
Nejlépe prozkoumanou živočišnou skupinou jsou ptáci. Na katastru města bylo ornitology zjištěno 142 druhů ptáků, z toho 95 pravidelně hnízdí, asi 35 druhů se zdržuje na tahu a 6 druhů se vyskytuje pouze v zimním období. Z tohoto počtu se 20 druhů vyskytuje pouze díky přítomnosti vodní nádrže ve Stanovnici a lagunám pod její hrází, většina z nich jen v době tahu, např. kulík říční, kachna divoká, potápka malá, potáplice severní, orlovec říční, polák chocholačka aj. V horských lesích ve Stanovnici, Kobylské a Raťkově hnízdí ve starších bucích vzácné druhy - holub doupňák, šplhavci strakapoud bělohřbetý, datel černý a žluna šedá, ve smrčinách podél hřebenu Javorníků v okolí Frňovské hnízdí velmi vzácný datlík tříprstý. V bukových lesích ojediněle hnízdí vzácný druh drobného pěvce - lejsek malý. Na území katastru každoročně hnízdí dva až tři páry čápa černého (v Raťkově a ve Stanovnici). Na dolním konci údolí Stanovnice leží nejvyšší místo výskytu koroptve a krutihlava v povodí Vsetínské Bečvy, jejich další hnízdiště se v současnosti nacházejí pouze směrem ke Vsetínu. Významná je přítomnost chřástala polního, vyskytuje se na větších kosených loukách (nejvíce ve Stanovnici, dále také hlavní údolí Bečvy východně od města a nad Pluskovečkem), v různých letech bývá zjištěno 5 až 10 samců. U hýla rudého je okolí nádrže Stanovnice v současnosti jediné pravidelné hnízdiště v okrese Vsetín, zpívající samečky lze v době jarního tahu (začátek června) výjimečně zastihnout i přímo ve městě. Z dalších vzácnějších druhů se vyskytují linduška luční (1 až 2 páry na hrázi nádrže a pod ní), bramborníček hnědý (roztroušeně na větších loukách v údolí Bečvy a ve Stanovnici), bramborníček černohlavý (celkem 3 až 5 párů, železniční násep, okolí hráze nádrže), kos horský (smrkové lesy v nejvyšších polohách Javorníků a Vsetínských vrchů, v nižších polohách, kde se vyskytoval do 90. let, již vymizel), rehek zahradní (roztroušeně zahrady a skupiny větších lip v intravilánu a u samot), sedmihlásek hajní (skupiny větších stromů v intravilánu a na dolních koncích bočních údolí Stanovnice, Bzové, Kobylská), pěnice vlašská (okolí nádrže ve Stanovnici), sluka lesní (Kobylská, Raťkov, Stanovnice), ostříž lesní (Stanovnice, Bzové, nepravidelně 1 pár), včelojed lesní (Stanovnice, Kání), kulíšek nejmenší (Stanovnice), sýc rousný (Kobylská). Od roku 2006 se v Kobylské vyskytuje velmi vzácná sovy - puštík bělavý, jehož stavy se po roce 2000 zvyšují v celé oblasti Beskyd.
Z plazů se v okolí pravidelně vyskytuje užovka obojková, na svahových loukách slepýš křehký, na sušších místech ještěrka obecná, na lesních okrajích a na pasekách ještěrka živorodá. Místy se vyskytuje zmije obecná, zejména ve Stanovnici (např. v okolí Javorníčku aj.) a severně od obce.
Z obojživelníků se pravidelně vyskytují skokan hnědý a ropucha obecná (nejvíce v údolí Stanovnice), méně často mlok skvrnitý a čolek horský. V kalužích často uvidíme kuňku žlutobřichou.
Ve vodách se nachází bohatá fauna ryb. V Bečvě žije např. pstruh obecný, střevle potoční, mřenka, vranka obecná a dále i druhy, uniklé z nádrže ve Stanovnici. V nádrži ve Stanovnici je řada dalších druhů, vysazených nebo zavlečených, např. pstruh duhový, siven americký, lipan, štika, lín, sumec, okoun, plotice a hlavatka.
Bohatá je fauna hmyzu. Z četných zástupců motýlů lze občas spatřit na květnatých loukách otakárka fenyklového, na stávajících nebo bývalých pastvinách severně od obce se vyskytuje kriticky ohrožený modrásek černoskvrnný, dále byli ze vzácných motýlů zjištěni hnědásek kostkovaný, vřetenuška třeslicová a modrásek bahenní. V Kobylské byl v 80. letech zjištěn jeden z nejvzácnějších brouků našeho regionu - tesařík alpský. V nádrži Stanovnice žije početná populace raka (zřejmě se jedná o křížence raka říčního a bahenního). Jeho populace tam byla posílena koncem 80. let vysazením z jezera ve Velkých Karlovicích.
K významným geomorfologickým lokalitám patří lokalita Skálí v závěru údolí Kobylská. Jedná se o rozsáhlý skalní sesuv s pseudokrasovými jevy.
Celý katastr leží na území CHKO Beskydy. Z maloplošných zvláště chráněných území byly v roce 1999 vyhlášeny tři, a to Přírodní památka Vachalka (zbytek přirozené jedlobučiny s klenem), Přírodní památka Smradlavá (přirozená jedlobučina) a Přírodní památka Skálí (jedlobukový porost se skalními výchozy). Jsou evidovány další lokality, které mají parametry na ZCHÚ. Jednak to jsou zbytky pralesních porostů (na Stanovnické Kýčeře, pod Malým Javorníkem, Kobylská aj.), jednak jsou to nelesní, a člověkem historicky výrazně ovlivněné ekosystémy, zejména jalovcové pastviny a kosené louky s bohatou květenou včetně orchidejí. Zachovalé ochranářsky hodnotné pastviny a louky se nacházejí nad Pluskovečkem, nad Raťkovečkem, v Malé Kobylské, mezi Raťkovem a Kobylskou, v Bzovém a ve Stanovnici (u Kretů, pod Javorníčkem, ve Skaličí, na Kání a jinde). Hodnotné jsou i kamenné valy a hromady (zejména ve Stanovnici) a řada drobných lokalit.
Tento projekt je realizován za podpory města
Vsetína a finančních mechanismů EHP/Norsko