Vịnh Bái Tử Long là nơi tập trung đa dạng sinh học cao với những hệ sinh thái điển hình như hệ sinh thái rừng ngập mặn, hệ sinh thái rạn san hô, hệ sinh thái tùng áng, hệ sinh thái rừng cây nhiệt đới.

Kết quả khảo sát điều tra cho thấy sự đa dạng về các loại động vật biển gồm 391 loài. Hầu hết các loại động vật biển ở đây đều là loài hải sản có giá trị kinh tế cao và mang ý nghĩa khoa học rất lớn. Sự có mặt của ấu trùng sống phù du và sự có mặt của con non phản ánh chu kỳ khép kín của một vòng đời các loài hải sản. Sự tồn tại của hai dạng sống đồng thời này có được nhờ những hệ sinh thái biển thuộc vùng Vịnh Bái Tử Long, nó là nơi phân bố, phát sinh, lưu giữ nguồn sống. Cụ thể là: Động vật phù du 51 loài, động vật đáy 132 loài, cá 19 loài, san hô 79 loài (trong đó có 17 loài ghi trong sách Đỏ Việt Nam). Trong đó có nhiều loài quý hiếm như bào ngư, hải sâm, sái sùng, trai ong còn gọi là bò hải ngưu (Sirenia) thế giới đã đưa vào loài quý hiếm cần được bảo vệ.[7]Với những giá trị đặc biệt về mặt cảnh quan, địa mạo, sự đa dạng sinh học, cùng với sự tiềm ẩn trầm tích văn hóa của Vân Ðồn là một trong những chiếc nôi văn hóa của người Việt cổ nên Vịnh Bái Tử Long cần được sự quan tâm và bảo vệ xứng đáng.