Quần đảo Cát Bà có rừng mưa nhiệt đới trên đảo đá vôi, rừng ngập mặn, các rặng san hô, thảm rong - cỏ biển, hệ thống hang động, tùng áng, là nơi hội tụ đầy đủ các giá trị bảo tồn đa dạng sinh học, bảo đảm các yêu cầu của khu dự trữ sinh quyển thế giới theo quy định của UNESCO.

Cát Bà đã được UNESCO công nhận là khu dự trữ sinh quyển thế giới ngày 02 tháng 12 năm 2004. Ngày 1 tháng 4 năm 2005 tại đây đã diễn ra lễ đón nhận bằng quyết định của UNESCO và kỷ niệm sự kiện này. Việt Nam hiện có 06 khu dự trữ sinh quyển thế giới được UNESCO công nhận là: Cần Giờ, Cát Tiên, châu thổ sông Hồng, miền Tây Nghệ An, Kiên Giang và quần đảo Cát Bà.

Tổng diện tích khu dự trữ sinh quyển Cát Bà rộng hơn 26.000 ha, với 2 vùng lõi (bảo tồn nghiêm ngặt và không có tác động của con người), 2 vùng đệm (cho phép phát triển kinh tế hạn chế song kết hợp với bảo tồn) và 2 vùng chuyển tiếp (phát triển kinh tế). Khu dự trữ sinh quyển Cát Bà là vùng hội tụ đầy đủ cả rừng mưa nhiệt đới trên đảo đá vôi, rừng ngập mặn, các rạn san hô, thảm rong và đặc biệt là hệ thống hang động.

Sách đỏ Việt Nam

Gần 60 loài đã được coi là các loài đặc hữu và quý hiếm đã được đưa vào Sách đỏ Việt Nam như các loài động vật: ác là, quạ khoang, voọc đầu vàng, voọc quần đùi trắng và các loài thực vật như chò đãi, kim giao (Podocarpus fleurii), lá khôi (Ardisia spp.), lát hoa (Chukrasia tubularis),dẻ hương, thổ phục linh, trúc đũa, sến mật. Ngoài ra còn 8 loài rong, 7 loài động vật đáy cũng cần được bảo vệ.

Thất bại đề cử di sản thế giới

Năm 2014, tại kỳ họp thứ 38 của Ủy ban Di sản thế giới tại Qatar Quần đảo Cát Bà từng được đưa ra bầu chọn là di sản thiên nhiên thế giới nhưng bị thất bại (Hồ sơ Quần đảo Cát Bà được các cơ quan tư vấn của UNESCO đặt ở mức N - Not recommended for inscription, tức không được khuyến khích để ghi danh). Trước đó, Cát Bà ứng cử hồ sơ di sản theo các tiêu chí sau:

1. Tiêu chí (ix):Di sản Quần đảo Cát Bà là những ví dụ nổi bật, tiêu biểu cho các hệ sinh thái nhiệt đới, cận nhiệt đới điển hình của châu Á. Nổi trội là hệ sinh thái quần đảo đá vôi lớn nhất châu Á. Đây cũng là khu vực có mức độ đa dạng cao nhất của các hệ sinh thái nhiệt đới và cận nhiệt đới điển hình, liền kề, kế tiếp nhau trong một Di sản như rừng mưa nhiệt đới nguyên sinh trên đảo, tiếp theo là rừng ngập mặn, vùng triều, hồ nước mặn, san hô. Các hệ sinh thái này đại diện cho các quá trình sinh thái và sinh học đang tiếp diễn trong quá trình tiến hoá và phát triển của các hệ sinh thái biển và hải đảo, thể hiện qua sự đa dạng cao của các quần xã động vật, thực vật trên đảo và dưới biển cùng với trên 21 loài động vật, thực vật đặc hữu cho khu vực. Trải qua 18000 năm phát triển, di sản vẫn giữ được tính tự nhiên cao, không hề bị xuống cấp, mặc dầu đã có sự xuất hiện của con người cách đây 7000 năm.
2. Tiêu chí (x): Quần đảo Cát Bà là Trung tâm đa dạng sinh học cao của thế giới với nhiều loài quý hiếm có giá trị toàn cầu được IUCN xếp loại. Tiêu biểu là sự có mặt của 3.860 loài thực vật và động vật trên cạn và dưới biển. Có tới 130 loài được xác định là các loài quý hiếm đưa vào sách Đỏ Việt Nam và thế giới. Trong đó có 76 loài nằm trong danh mục quý hiếm của IUCN, 21 loài đặc hữu. Đặc biệt loài Voọc Đầu vàng Cát Bà (Trachypithecus poliocephalus) là loài đặc hữu hiện nay trên thế giới chỉ còn một quần thể với 63 cá thể phân bố duy nhất ở Cát Bà, được IUCN đánh giá là giá trị bảo tồn ngoại hạng toàn cầu. Ngoài ra còn có nhiều loài thực vật, và động vật cũng được IUCN xếp hạng ở cấp cực kỳ nguy cấp (CR).