Theo các nghiên cứu khoa học thì vịnh Hạ Long có hệ sinh thái vô cùng đa dạng, đầy đủ bao gồm hệ sinh thái rừng ngập mặn, hệ sinh thái cỏ biển, san hô, rừng cây nhiệt đới, hệ sinh ái tùng áng.
Vịnh Hạ Long có địa hình cấu tạo rất phức tạp với bờ biển khúc khuỷu, nhiều cửa sông lớn. Chính đặc điểm này giúp cho nhiều loài sinh vật có nguồn thức ăn phong phú. Địa hình vịnh Hạ Long còn bị chia cắt bởi hàng nghìn hòn đảo, tạo thành các vũng vịnh có mực nước ổn định, thủy triều không lớn, sóng nhỏ, khí hậu ôn hòa từ 19 độ đến 25 độ. Những điều kiện tự nhiên ấy chính là điều kiện tốt để các hệ sinh thái nơi đây phát triểN.
San hộ trong vùng biển Hạ Long mọc rải rác ở rất nhiều nơi, tập trung dày đặc ở phía đông và phía nam ngoài xa của bờ lục địa. Vịnh Hạ Long có đến 163 loài san hô, thuộc 44 chi và 12 họ san hô theo các báo cáo nghiên cứu khoa học của Viện Hải dương học. San hô phân bố khắp nõi, lúc tập trung thành các rạn san hô thể hiện cấu trúc ba đới, khi thì tạo đám, tập trung ở độ sâu tối đa 6 mét.
Các rạn san hô tạo nên cảnh sắc tuyệt đẹp cho vịnh Hạ Long, san hô có các dạng cảnh như san hô đĩa, san hô cây có nhiều màu sắc tuyệt đẹp. Nước triều xuống, rừng san hô đong đưa chuyển động các xúc tua, đây cũng là môi trường sinh sống của nhiều sinh vật như cá đến 107 loài, các loại rong tảo, thực vật, động vật phù du, cá cảnh…
Hệ sinh thái rừng ngập mặn cũng là một hệ sinh thái nổi bật ở vịnh Hạ Long, tập trung ở các vùng bãi triều khu vực Tuần Châu, Ba Chẽ, Cửa Lục. Ngoài ra còn có hệ sinh thái rừng cây nhiệt đới với các loại cây như sến, hương, đinh, vàng hương, táu..Các rừng cây nhiệt đới là nơi các loài động vật quý hiếm sinh sống như chồn, sóc, hươu, khỉ lông đỏ, khỉ khoang trắng…
Hạ Long có hệ sinh thái đặc trưng đó chính là hệ sinh thái tùng áng nhỏ. Đây là hệ sinh thái ấn thông với biển đông, là nơi vô số sinh vật, thực vật như cá, tôm, cỏ biển, rong tảo cư trú và sinh sống. Ngoài khơi chính là nơi các loài hải sản, tôm, mực, cá, bào ngư sinh sống, là nguồn đánh bắt lớn của ngư dân, hàng năm lên đến hàng ngàn tấn. Nói tóm lại, vịnh Hạ Long có hệ sinh thái vô cùng đa dạng và phong phú tạo nên sự đặc biệt, nét riêng của khu vực này.
