Vịnh Hạ Long là nơi tập trung đa dạng sinh học với 2 hệ sinh thái điển hình là "hệ sinh thái rừng kín thường xanh mưa ẩm nhiệt đới" và "hệ sinh thái biển và ven bờ". Trong mỗi hệ lớn nói trên lại có nhiều dạng sinh thái.[2]

Hệ sinh thái rừng kín thường xanh mưa ẩm nhiệt đới

Hệ sinh thái rừng kín thường xanh mưa ẩm nhiệt đới ở vịnh Hạ Long rất đặc trưng, phong phú với tổng số loài thực vật sống trên các đảo khoảng trên 1.000 loài. Một số quần xã các loài thực vật khác nhau bao gồm các loài ngập mặn, các loài thực vật ở bờ cát ven đảo, các loài mọc trên sườn núi và vách đá, trên đỉnh núi hoặc mọc ở của hang hay khe đá. Các nhà nghiên cứu của Hiệp hội Bảo tồn thiên nhiên thế giới đã phát hiện 7 loài thực vật đặc hữu của vịnh Hạ Long. Những loài này chỉ thích nghi sống ở các đảo đá vôi vịnh Hạ Long mà không nơi nào trên thế giới có được, đó là: thiên tuế Hạ Long, khổ cử đại tím (Chirieta halongensis), cọ Hạ Long (Livisona halongensis),[27] khổ cử đại nhung (Chirieta hiepii), móng tai Hạ Long, ngũ gia bì Hạ Long, hài vệ nữ hoa vàng.[2][28][29] Một số tài liệu khác[30] mở rộng danh sách thực vật đặc hữu của Hạ Long lên 14 loại, bao gồm cả những loại đã được người Pháp khám phá và đặt tên gắn với địa danh từ trước như sung Hạ Long, nhài Hạ Long, sóng bè Hạ Long, giềng Hạ Long, phất dụ núi, phong lan Hạ Long v.v. Danh sách những loài thực vật đặc hữu khác tại vịnh Hạ Long rất có thể còn được bổ sung nhiều hơn, do chưa có một công trình nghiên cứu nào thực sự đầy đủ, toàn diện về thực vật trên tất cả các đảo trong khu vực vịnh và vùng lân cận. Chẳng hạn loài trúc mọc ngược mà mấy năm gần đây các nhà khoa học mới phát hiện ra trên một số đảo đá của vịnh Hạ Long, một giống trúc có cành chĩa xuống đất, khác các giống trúc thông thường chĩa cành lên trời.[2]

Theo thống kê, hệ sinh thái rừng kín thường xanh mưa ẩm nhiệt đới ở vịnh Hạ Long và vịnh Bái Tử Long có 477 loài mộc lan, 12 loài dương xỉ và 20 loài thực vật ngập mặn; đối với động vật người ta cũng thống kê được 4 loài lưỡng cư, 10 loài bò sát, 40 loài chim và 14 loài thú. Ở vùng này còn có loại khỉ thân nhỏ, hiện được nuôi theo phương pháp đặc biệt tại đảo Khỉ.

Hệ sinh thái biển và ven bờ

Hệ sinh thái biển và ven bờ của vịnh Hạ Long bao gồm trong đó "hệ sinh thái đất ướt" và "hệ sinh thái biển"[2] với những điểm đặc thù:

Hệ sinh thái đất ngập nước:

• Sinh thái vùng triều và vùng ngập mặn trên vịnh: bao gồm 20 loài thực vật ngập mặn; là nơi sống cho 169 loài giun nhiều tơ, 91 loài rong biển, 200 loài chim, 10 loài bò sát và 6 loài khác.
• Dạng sinh thái đáy cứng, rạn san hô: tập trung ở Hang Trai, Cống Đỏ, Vạn Giò, có 232 loài san hô đã được tìm thấy. Rặng sinh thái đáy cứng, san hô là nơi sinh cư của 81 loài chân bụng, 130 loài hai mảnh vỏ, 55 loài giun nhiều tơ, 57 loài cua.
• Dạng sinh thái hang động và tùng, áng: dạng sinh thái này tại vịnh Hạ Long rất tiêu biểu và hiếm nơi có được. Đặc biệt khu vực Tùng Ngón là nơi cư trú của 65 loài san hô, 40 loài động vật đáy, 18 loài rong biển. Tại đây cũng có 4 loài sinh vật quý hiếm được ghi trong sách đỏ Việt Nam.
• Dạng sinh thái đáy mềm: đây là dạng sinh thái của quần xã cỏ biển với 5 loài, là nơi sống của 140 loài rong biển, 3 loài giun nhiều tơ, 29 loài nhuyễn thể, 9 loài giáp xác.
• Dạng sinh thái bãi triều không có rừng ngập mặn: sinh vật sống trên vùng triều đặc trưng là động vật nhuyễn thể hai mảnh vỏ và giun biển có giá trị dinh dưỡng cao như sá sùng, hải sâm, sò, ngao v.v[2]

Hệ sinh thái biển:

• Thực vật phù du: ở vịnh Hạ Long có 185 loài.
• Động vật phù du: vùng Hạ Long-Cát Bà có 140 loài động vật phù du sinh sống.
• Động vật đáy: thống kê sơ bộ, vùng Hạ Long có đến 500 loài động vật đáy, trong đó có 300 loài động vật nhuyễn thể, 200 loài giun nhiều tơ, 13 loài da gai.
• Động vật tự du: đã xác định được 326 loài động vật tự du, phân bố trong vịnh Hạ Long.[2]

Đến nay sơ bộ đánh giá hệ thực vật trong vùng vịnh Hạ Long có khoảng 347 loài, thực vật có mạch thuộc 232 chi và 95 họ. Trong tổng số 347 loài thực vật đã biết, có 16 loài đang nằm trong danh sách đỏ của Việt Nam đã nguy cấp và sắp nguy cấp. Trong các loài thực vật quý hiếm, có 95 loài thuộc cây làm thuốc, 37 loài cây làm cảnh, 13 loài cây ăn quả và 10 nhóm có khả năng sử dụng khác nhau.[29]

Các đảo tại vịnh Hạ Long có các loài động vật thân mềm đa dạng, đặc biệt là các loài cư trú trong hốc đá, và có tới 60 loài động vật đặc hữu.[4] Hải sản Hạ Long được khai thác và nuôi trồng bao gồm bào ngư, hải sâm, sá sùng, tôm, cá, mực (mực ống, mực nang, mực thước), bạch tuộc, sò huyết, trai và điệp nuôi lấy ngọc.[13] Tài liệu của Phân viện Hải dương học Hải Phòng cho thấy trong 1.151 loài động vật tại Hạ Long thì đã có tới gần 500 loài cá, 57 loài cua.[24]