Bên cạnh giá trị địa chất và giá trị thẩm mỹ độc đáo toàn cầu, trong khu vực Vịnh Hạ Long hiện nay còn lưu giữ được nhiều hệ sinh thái điển hình của vùng biển nhiệt đới như: đồi núi, hang động, rừng ngập mặn, tùng áng, rạn san hô, cỏ biển … Các hệ sinh thái đó được phân bố trong một khu vực có khí hậu tương đối ôn hòa, nhiệt độ nước biển trung bình từ 19 - 25 độ C, là môi trường sống rất thuận lợi đối với các loài sinh vật. Kết quả nghiên cứu những năm qua cho thấy trong vùng Vịnh Hạ Long có mặt trên 300 loài cá, 545 loài động vật đáy biển, 154 loại san hô, 35 loài sinh vật phù du, 139 loài rong biển, 5 loài cỏ biển và 31 loài thực vật vùng ngập mặn … Các hệ sinh thái đó đã tạo nên giá trị đa dạng sinh học tương đối nổi bật của Vịnh Hạ Long.