Do sở hữu hàng trăm rạn san hô rải rác khắp một vùng biển rộng lớn nên quần đảo Trường Sa là nơi có đa dạng sinh học cao. Ước tính có đến mười nghìn loài sinh vật sinh sống tại vùng biển Trường Sa. Theo Nguyễn & Đặng (2009), có 329 loài san hộ thuộc 69 chi và 15 họ cùng nhau tạo lập nên các rạn san hô Trường Sa. Tuy nhiên, phân bố loài san hô rất không đồng đều và chỉ tập trung vào một số họ như họ San hô lỗ đỉnh (66 loài), họ San hô não (46 loài), họ San hô khối (17 loài), họ San hô nấm (14 loài),...[27] Các hệ sinh thái rạn san hô nơi đây không chỉ là nơi cư ngụ lý tưởng cho các sinh vật biển mà còn là nơi nuôi dưỡng nguồn lợi thủy sản dồi dào cho toàn vùng biển Đông.[28]

Về động vật, nghiên cứu của McManus, Shao & Lin (2010) cho biết rằng tại khu vực xung quanh đảo Ba Bình cho biết có 399 loài cá rạn san hô đến từ 49 họ; 190 loài san hô từ 69 chi thuộc 25 họ; 99 loài động vật thân mềm; 91 loài động vật không xương sống thuộc 72 chi; 27 loài động vật giáp xác; 14 loài giun nhiều tơ và 4 loài động vật da gai. Người ta cũng ghi nhận 59 loài chim khác nhau tại đảo này, trong đó chủ yếu là chim điên nâu, chim điên chân đỏ, hải âu mặt trắng, nhàn mào và nhàn trắng. Hai loài bò sát là đồi mồi và đồi mồi dứa cũng thường lên đảo Ba Bình để đẻ trứng.[29] Tại khu vực phía đông quần đảo, có 314 loài cá rạn san hô, trong đó có 156 loài có giá trị thương mại (McManus & Meñez, 1997, dẫn lại số liệu của Castañeda, 1988).[30] Một nghiên cứu của Malaysia tại đá Hoa Lau đã chỉ ra rằng có 205 loài cá thuộc 61 họ, trong đó nhiều nhất là họ Bàng chài, họ Cá thia, họ Cá đuôi gai và họ Cá bướm.[31] Nghiên cứu về các loài cá rạn san hô sống tại biển Trường Sa của Nguyễn (1994) cho thấy có 326 loài cá rạn san hô thuộc 117 chi, đến từ 44 họ và 13 bộ. Trong đó, các họ có sự đa dạng về loài nhất là họ Cá thia (53 loài, 12 chi), họ Bàng chài (32 loài, 14 chi), họ Cá mó (27 loài, 3 chi), họ Cá bướm (24 loài, 6 chi), họ Cá hồng (18 loài, 7 chi), họ Cá mú (18 loài, 6 chi) và họ Cá đuôi gai (16 loài, 4 chi).[32] Ngoài cá rạn san hô, nhiều loài cá nổi biển khơi xa bờ cũng hiện diện tại Trường Sa, đến từ một số họ như họ Cá khế, họ Cá thu ngừ, họ Cá nhám (Carchahinidae) và họ Cá thu rắn.[33]

Về thực vật, McManus, Shao & Lin (2010) thống kê được 109 loài thực vật có mạch ở khu vực đảo Ba Bình.[29] Nurridan (2004) đã nghiên cứu phá nước (vụng biển) của đá Hoa Lau và xác định được 2 loài cỏ biển và 19 loài tảo biển, trong đó lớp tảo lục có 12 loài, lớp tảo nâu có 2 loài và lớp tảo đỏ có 5 loài.[34] Tại một số đảo do Việt Nam kiểm soát, người ta ghi nhận một số loài thực vật hợp với thổ nhưởng khô cằn và nhiễm mặn như bàng vuông, bão táp, muống biển, phi lao, phong ba,...[35] Nhìn chung, thảm thực vật trên các đảo có tuổi rất trẻ vì đảo mới hình thành trong thời kì địa chất gần đây. Các đảo ở phía nam như An Bang, Trường Sa có thảm thực vật kém phát triển hơn các đảo ở phía bắc như Sơn Ca, Ba Bình, Song Tử Tây.[36]

Môi trường của quần đảo Trường Sa bị xâm hại nghiêm trọng do ngư dân từ Việt Nam, Philippines và miền nam Trung Quốc khai thác thủy sản bằng các phương pháp tận diệt như vét cá, đánh cá bằng thuốc nổ và bằng chất độc natri xyanua. Binh lính các quốc gia đóng quân tại đây khai thác rùa biển và trứng của chúng, đồng thời còn đe dọa các sinh vật nhạy cảm sống ở nơi nước nông khi họ xây dựng công sự và đường băng.[37]

Nhiều năm qua đã có một số nỗ lực nhằm bảo vệ môi trường sinh thái ở quần đảo. Ngày 8 tháng 6 năm 1982, Bộ Tài nguyên Philippines lập hai khu bảo tồn rùa biển ở đảo Loại Ta và đá An Nhơn; từ tháng 8 năm 2008, có thêm khu bảo vệ rùa biển đẻ trứng trên đảo Thị Tứ; trên Vĩnh Viễn có khu bảo tồn chim.[38] Ngày 3 tháng 3 năm 2007, Đài Loan lập khu bảo vệ rùa biển đẻ trứng, lấy đảo Ba Bình là trung tâm rồi mở rộng ra 12 hải lý xung quanh.[39] Việt Nam thì có kế hoạch lập khu bảo tồn biển xung quanh đảo Nam Yết với diện tích 35.000 ha từ năm 2010.[40]