Thực vật

Rừng ở đây có một kiểu chính là kiểu rừng mưa nhiệt đới thường xanh, nhưng do điều kiện địa hình, đất đai và chế độ nước nên ở đây có một số kiểu rừng phụ: rừng trên núi đá vôi, rừng ngập mặn ven đảo, rừng ngập nước ngọt trên núi. Rừng ở đây cũng có nhiều kiểu sinh thái rừng cá biệt như quần hợp Kim giao (tại khu vực gần đỉnh Ngự Lâm); đơn ưu Và nước (khu vực Ao Ếch).

Thành phần thực vật có 1585 loài thực vật rừng, nhiều loại cây gỗ quý như trai lý, lát hoa, lim xẹt, dẻ hoa, kim giao, gõ trắng, chò đãi, trên thế giới chỉ có ở dãy núi Himalaya, thực vật ngập mặn 30 loài, rong biển 102 loài, thực vật phù du 400 loài.

Động vật

Trên khu vực vườn có 343 loài trong đó 58 loài thú, 205 loài chim, 55 loài bò sát, 24 loài ếch nhái. Đặc biệt có loài voọc Cát Bà (tên khoa học: Trachypithecus poliocephalus) tức voọc đầu vàng (một số tài liệu gọi nhầm là voọc đầu trắng, tên khoa học: Trachypithecus poliocephalus phân loài leucocephalus chỉ có ở Trung Quốc) là loài đặc hữu hẹp của Cát Bà, hiện tại chỉ còn khoảng 60 cá thể. Động vật phù du 131 loài, cá biển 196 loài, san hô 177 loài.