Vịnh Hạ Long được các nhà khoa học đánh giá là nơi có sự đa dạng sinh học cao với những hệ sinh thái điển hình của vùng biển nhiệt đới, thể hiện ở đa dạng thành phần loài, nguồn gen đặc hữu quí hiếm.

      Theo tài liệu nghiên cứu năm 2008, Vịnh Hạ Long có 2949 loài động vật, thực vật. Trong đó có 1259 loài động thực vật sống trên cạn, 1553 loài sinh vật sống trong thuỷ vực và 66 loài (thuộc Bò Sát và Lưỡng Cư) sống ở cả trong nước và trên cạn và 71 loài chim. Đã xác định được 102 loài quý hiếm có giá trị toàn cầu hoặc khu vực, trong đó có 17 loài thực vật đặc hữu, quý hiếm chỉ xuất hiện ở Hạ Long. Đây là khu vực thiên nhiên có số lượng loài nhiều nhất đã biết ở Việt Nam. Thành phần loài cụ thể như sau:

     Sinh học Vịnh Hạ Long tồn tại 10 kiểu hệ sinh thái đặc thù, song có thể chia làm hai hệ sinh thái lớn: Hệ sinh thái rừng thường xanh nhiệt đới, Hệ sinh thái biển và ven bờ.

   * Hệ sinh thái rừng thường xanh nhiệt đới

     - Hệ thực vật trên các đảo Vịnh Hạ Long hiện có 507 loài, 351 chi thuộc 110 họ thực vật bậc cao có mạch. Trong đó ngành Mộc lan có 486 loài, ngành Dương xỉ có 17 loài,  ngành thông đất có 2 loài, ngành Lá thông có 1 loài, ngành Thông (hạt trần) có 2 loài. Hệ động vật có: 66 loài bò sát và lưỡng cư, 71 loài chim, 22 loài thú.

    - Một số quần xã các loài thực vật khác nhau được tìm thấy như: loài ngập mặn, các loài thực vật ở bờ cát ven đảo, các loài mọc trên sườn núi, vách đá, đỉnh núi hoặc ở cửa hang. Tất cả các loài thực vật này đều thích nghi tốt với điều kiện sống trên các đảo đá vôi của Vịnh Hạ Long. Hiện đã phát hiện 17 loài thực vật đặc hữu của trên Vịnh Hạ Long, cụ thể:

    * Hệ sinh thái biển và ven bờ: (Bao gồm hệ sinh thái đất ướt và hệ sinh thái biển)

     Đến nay, trong khu vực Vịnh  Hạ Long đã xác định được: 571 loài động vật đáy, 419 loài sinh vật phù du, 181 loài  san hô, 156 loài cá biển, 139 loài rong biển, 5 loài cỏ biển và 19 loài thực vật ngập mặn.

     + Hệ sinh tháí đất ướt: Có thể chia vùng đất ướt của Vịnh Hạ Long và phụ cận làm 7 hệ sinh thái:

    - Hệ sinh thái rừng ngập mặn:  Khu vực Hạ Long có 19 loài thực vật ngập mặn.

 Hệ sinh thái rừng ngập mặn

     Rừng ngập mặn Hạ Long đóng vai trò là nơi sinh sống của nhiều loài sinh vật khác nhau: có gần 500 loài sinh vật, trong đó có 306 loài động vật đáy, 90 loài cá biển, 37 loài chim, 16 loài rong biển, 12 loài động vật có vú, 5 loài Bò sát, 4 loài Cỏ biển.

    - Hệ sinh thái thảm cỏ biển

     Cỏ biển ở Hạ Long có số loài không lớn (5 loài) nhưng lại là nơi cư trú cho 17 loài rong biển, 14 loài động vật đáy lớn và nhiều loài sinh vật biển khác, có tác dụng chắn sóng và tham gia hấp thụ các chất hữu cơ, làm sạch nước biển.

Hệ sinh thái thảm cỏ biển

     - Hệ sinh thái bãi triều rạn đá quanh các đảo trong Vịnh Hạ Long

     Được phân bố ở các bãi triều rạn đá viền quanh các chân đảo trong Vịnh Hạ Long. Tại đây đã phát hiện được 423 loài, trong đó có 129 loài rong biển, 10 loài san hô khối, 51 loài giun nhiều tơ, 60 loài ốc, 75 loài hai mảnh vỏ, 70 loài giáp xác, 12 loài da gai và 2 loài hải miên, 2 loài bò sát (Rắn nước, Kỳ đà), 21 loài chim nước, 3 loài rái cá.

     - Hệ sinh thái bãi triều cát ven đảo

      Được phân bố ở bãi triều cát ven các đảo nhỏ thường nằm trong các hõm đảo hay vùng bãi được che chắn và phía dưới có các rạn san hô phát triển. Thành phần loài đã phát hiện được 116 loài sinh vật, trong đó có 32 loài giun nhiều tơ, 22 loài hai mảnh vỏ, 34 loài ốc, 24 loài giáp xác và 4 loài da gai.

    - Hệ sinh thái vùng triều thấp đáy mềm cửa sông

     Được phân bố ở các bãi triều tiếp giáp với rừng ngập mặn và các cồn cát, doi cát nổi lên ở phía ngoài cửa sông. Quần xã sinh vật ở đây có: 145 loài Thực vật phù du; 54 loài Động vật phù du; 150 loài Động vật đáy; 58 loài Rong biển;  5 loài Cỏ biển; 79 loài Cá biển.

   - Hệ sinh thái rạn san hô

 Hệ sinh thái rạn San hô

      Được phân bố chủ yếu ở phía Đông Nam đảo Cát Bà lên đến các đảo phía nam Vịnh Hạ Long trên các nền đáy cứng xung quanh các đảo, tùng, áng hay các bãi có nền đáy là đá gốc. Hiện nay, trên Vịnh Hạ Long đã xác định được 231 loài san hô thuộc 4 bộ, trong đó bộ san hô cứng có 204 loài. Tạo rạn san hô trong Vịnh Hạ Long chủ yếu là các loài của bộ san hô cứng. Rạn san hô Vịnh Hạ Long là nơi sinh cư của 230 loài Thân mềm, 180 loài Thực vật phù du, 155 loài Cá biển, 129 loài Rong biển, 118 loài Giun đốt, 104 loài Động vật phù du, 77 loài Giáp xác, 15 loài Da gai, 11 loài Bọt biển. Đây cũng là một hệ sinh thái có năng suất sinh học cao, đồng thời là “bộ lọc” tự nhiên giúp làm sạch môi trường nước.

    - Hệ sinh thái Tùng, Áng

     Đó là một kiểu hệ sinh thái đặc thù của vùng biển có các đảo đá vôi như Vịnh Hạ Long. Chúng là những hố sụt karstơ trong quá trình kiến tạo địa chất, tạo nên những hố trũng thấp hơn mực nước biển trong vùng núi đá vôi được thông với biển bởi những cửa hẹp hay những hang luồn, có thể là ngầm dưới đất. Sau một thời gian phát triển đã tạo nên một kiểu hệ sinh thái đặc trưng, độc đáo khác với các kiểu hệ sinh thái bên ngoài. 

    Hiện nay, ở Vịnh Hạ Long có 62 Áng, 57 Tùng.  Đây là các hệ sinh thái đặc biệt, làm tăng giá trị cảnh quan, đồng thời cũng là nơi lưu giữ những nguồn gien quý hiếm, độc đáo của Vịnh. Cho đến nay đã phát hiện được trên 72 loài động, thực vật sống trong các Áng, trong đó có 21 loài Rong biển, 37 loài thân mềm, 8 loài Giáp xác, 6 loài Da gai và một số loài San hô.

Hệ sinh thái Tùng, Áng

    + Hệ sinh thái biển
     Bao gồm: Thực vật phù du, động vật phù du, động vật đáy biển và động vật tự du, cụ thể:

    - Thực vật phù du (TVPD)

     Là thực vật nhỏ sống trôi nổi trong nước, có thể tự dưỡng qua quá trình quang hợp. Đây là mắt xích đầu tiên trong chuỗi thức ăn tạo ra năng suất sơ cấp cho khu vực Vịnh Hạ Long, góp phần phân giải chất hữu cơ, hạn chế ô nhiễm môi trường nước. Theo kết quả điều tra năm 2008, thực vật phù du ở Vịnh Hạ Long có 278 loài thuộc 5 ngành tảo.

   - Động vật phù du (ĐVPD)

     Là động vật nhỏ sống trôi nổi trong nước, đóng vai trò mắt xích thứ hai sau TVPD. Sự phân bố của ĐVPD phụ thuộc vào tầng nước và thời gian, vùng nước Vịnh Hạ Long khá phong phú và đa dạng với 141 loài ĐVPD sinh sống.

    - Động vật đáy

Nhóm sinh vật sinh sống ở đáy biển, cho giá trị dinh dưỡng cao, vùng biển Hạ Long có 571 loài động vật đáy gồm 5 nhóm chính là động vật thân mềm (261 loài); Giun nhiều tơ (145 loài); Giáp xác (113 loài); Da gai (26 loài) và Hải Miên (26 loài).

- Động vật tự du

 Là động vật hoàn toàn có khả năng tự chủ bơi lội trong nước, di cư để tìm mồi, sinh sản hay trú đông phân bố ở phần mặt nước có độ sâu 0 - 20 m. Đến nay đã xác định được 196 loài cá biển, 3 loài cá heo chỉ đôi khi xuất hiện ở vùng phía ngoài.