La présence de la Saône, qui serpente dans le village, permet l’émergence d’espaces riches en biodiversité. Un des exemples les plus parlants est l’Espace Naturel Sensible du vallon du Préfonrupt, au sud du bourg. Un sentier pédagogique y a été aménagé, permettant de découvrir la flore et la faune présentes au milieu de la zone humide. Les bords de Saône abritent aussi le jardin des Marronniers, un espace atypique qui abrite une cinquantaine de marronniers nains.

Au même titre que la Saône, la forêt est un élément essentiel dans l’identité de la commune. En effet, elle couvre une grande partie du territoire, avec une particularité : la proportion importante de massifs et bois communaux. Les espaces forestiers de la commune sont également riches en sentiers de randonnée piétons et VTT. Consciente de cet atout, la municipalité a eu comme projet de réutiliser une ancienne parcelle d’épicéas ayant souffert de la sécheresse et des scolytes pour y implanter un sylvatum, couplé à un espace pédagogique forestier, « la forêt du savoir ». Le but était de mettre en place une structure pédagogique permettant d’accueillir des groupes scolaires afin de sensibiliser à la vie de la forêt et à sa gestion, ainsi qu’aux métiers de la filière forêt-bois. Les massifs forestiers de Monthureux-sur-Saône font partie d’un ensemble de 35 000 ha de forêts domaniales et communales appelé massif « Darney-La Vôge». Les acteurs locaux de ce territoire (élus, ONF, ...) se sont regroupés autour d’un projet commun : obtenir le label « Forêt d’Exception».