Vịnh Nha Trang có khí hậu tốt, quanh năm tràn ngập ánh nắng, nhiệt độ trung bình hàng năm khoảng 26oC. Vịnh có môi trường sống lý tưởng cho các loài động vật quý hiếm như: chim yến (còn gọi là vàng trắng của Khánh Hòa bởi tính quý hiếm của nó), đồi mồi, san hô đỏ, trai ngọc môi vàng, ốc kim khôi, bào ngư bầu dục...
Là một quần thể thiên nhiên đặc sắc hiếm thấy, với những nguồn tài nguyên thiên nhiên phong phú, quý giá bao gồm núi, biển, sông, đảo, vịnh Nha Trang đã trở thành ngôi nhà chung của các loài động vật quý hiếm, có giá trị kinh tế cao, là vùng đa dạng sinh học biển.
Về mặt sinh thái, vịnh Nha Trang là một trong những hình mẫu tự nhiên hiếm có của hệ thống vũng, vịnh trên thế giới bởi nó có hầu hết các hệ sinh thái điển hình, quý hiếm của vùng biển nhiệt đới. Đó là hệ sinh thái đất ngập nước, rạn san hô, rừng ngập mặn, thảm cỏ biển, hệ sinh thái cửa sông, hệ sinh thái đảo biển, hệ sinh thái bãi cát ven bờ.
Đặc biệt khu vực Hòn Mun của Vịnh Nha Trang có đa dạng sinh học cao nhất với 350 loài rạn san hô chiếm 40% san hô trên thế giới. Kết quả khảo sát đa dạng sinh học Khu bảo tồn biển cho thấy Hòn Mun là nơi có rạn san hô phong phú và đa dạng nhất Việt Nam. người ta cũng đã tìm thấy 340 trong tổng số hơn 800 loài san hô cứng trên thế giới. Từ năm 2001, Khu bảo tồn biển Hòn Mun ra đời bao gồm các đảo như Hòn Tre, Hòn Miễu, Hòn Tằm, Hòn Một, Hòn Mun, Hòn Cau, Hòn Vung, Hòn Rơm, Hòn Nọc và vùng nước xung quanh. Diện tích khoảng 160km2 bao gồm khoảng 38 km2 mặt đất và khoảng 122 km2 vùng nước xung quanh các đảo. Vùng
đảo Hòn Mun đã được xây dựng thành khu bảo tồn biển đa dạng sinh học biển đầu tiên của Việt Nam. Đặc biệt rất phong phú về san hô. Hiện tại đã phát hiện được khoảng 350 loài trong tổng số hơn 800 loài san hô cứng trên thế giới.
Hòn Nhiểu (còn gọi đảo Bồng Nguyên) nơi có Thủy Cung Trí Nguyên với những sinh vật biển kỳ lạ. Cách hồ là bãi sỏi đủ màu, đủ dáng, trải thành từng lớp trên bờ thay cho cát trắng.
Hòn Tằm một điểm du lịch sinh thái biển đảo hấp dẫn, nơi đây vẫn còn lưu lại vẻ hoang sơ của thiên nhiên với thảm rừng nhiệt đới xanh mướt, bờ cát dài lãng mạn. Phía sau đảo này có một hang đá rất đặc biệt, kỳ bí mới được ngành du lịch phát hiện và đưa vào khai thác. Đó là hang Dơi, nơi có rất nhiều đàn dơi cư trú trên những vách đá cheo leo ở độ cao 60m. Đảo được đầu tư phát triển nhiều loại hình thể thao bãi biển như dù bay, bóng chuyền bãi biển, đua xuồng Kayak, leo núi….
Hòn Tre đảo lớn nhất trong vịnh Nha Trang với diện tích trên 32.5 km², nằm cách trung tâm thành phố Nha Trang khoảng 5 km về phía Đông, cách cảng Cầu Đá 3,5 km vị trí tương đối biệt lập, có bãi tắm thiên nhiên đẹp vào bậc nhất Việt Nam, thảm thực vật trong khu vực còn nguyên sơ, khí hậu ôn hoà, ít gió bão, rất thuận lợi cho việc phát triển du lịch sinh thái và nghỉ dưỡng biển. Khu vực quy hoạch đảo bao gồm 2 khu vực chức năng: Khu Vũng Me - Bãi Trũ - Đầm Già - Bãi Rạn được quy hoạch hướng tới một quần thể các dự án du lịch cao cấp bao gồm 7 dự án hiện có: Khu du lịch Con sẻ tre, Vinpearlresort & spa, Khu du lịch sinh thái và Thế giới nước Vinpearl, Công viên văn hóa Vinpearl, Công viên văn hóa Hòn Tre, Khu du lịch sinh thái Bãi Sỏi, Khu biệt thự và sân golf Vinpearl, giao thông đối ngoại của phân khu chủ yếu thông qua 2 cảng du lịch tại Vũng Me và tuyến cáp treo Vinpear (tuyến cáp treo vượt biển dài nhất thế giới). Khu Đầm Bấy được quy hoạch theo mô hình khu du lịch cộng đồng bao gồm khu vực dự án Khu du lịch thế giới biển và dự án Làng du lịch sinh thái Đầm Bấy.
Trong 19 hòn đảo ở Vịnh Nha Trang thì Hòn Nội và Hòn Ngoại là nơi có nhiều chim yến nhất. Vì thế, Hòn Nội và Hòn Ngoại còn có tên là đảo yến. Tuy nhiên, trong vịnh Nha Trang có gần 10 đảo có chim yến làm tổ nên “đảo yến” không phải là
tên riêng của một đảo nào, mà cứ đảo nào có yến làm tổ thì có tên gọi như vậy. Hòn Nội là đảo nằm phía trong, còn Hòn Ngoại nằm phía ngoài. Hòn Nội còn có bãi tắm đôi (có hai bờ biển một mặt hướng ra Vịnh Nha Trang mặt còn lại hướng vào một vũng lớn) bị cô lập trong đảo mùa nước lên, nước sẽ tràn qua doi cát vào vũng) với cát trắng rất đẹp nhưng ít dùng cho du lịch chủ hoạt động chủ yếu trên đảo là khai thác Yến sào.
Tại Đầm Nha Phu còn đa dạng về hệ động thực vật. Theo kết quả điều tra của Viện Hải dương học Nha Trang (Khánh Hòa), đầm Nha Phu hiện có 232 loài thực vật phù du được ghi nhận. Trong đó, có 150 loài tảo Silic, chiếm 65%; tảo Hai Roi với loài, chiếm 32%… Đầm Nha Phu còn là nơi phát triển nghề nuôi trồng thủy hải sản.
Theo báo cáo của Viện Hải dương học, vùng biển vịnh Nha Trang hiện có hơn 600 loài thủy sản, trong đó có 50 loài có giá trị kinh tế. Trữ lượng thủy sản trong vịnh chiếm khoảng 30% trữ lượng thủy sản toàn tỉnh, khoảng 35.000/120.000 tấn.
Trong đó, lượng cá nổi chiếm tới 70% như: cá thu, cá ngừ, bạc má, cá nhám, trích, nục…Lượng cá đáy chỉ chiếm khoảng 30% nhưng nhiều loài có giá trị xuất khẩu cao như: cá mú, cá đổng, cá hố… Ngoài cá biển, trong vịnh còn có nhiều loài thân mềm, giáp xác có giá trị kinh tế cao như: bào ngư, ốc đụn, mực, tôm, cua, ghẹ… Biển Khánh Hòa còn có ý nghĩa với việc sản xuất muối do nước biển có nồng độ muối tương đối cao, thuận lợi cho việc sản xuất muối tập trung và các sản phẩm sau muối, nhất là muối công nghiệp.