Đa dạng sinh học là một nguồn tài nguyên quan trọng cần đƣợc giữ gìn, bảo tồn để duy trì cân bằng sinh thái cho cả khu vực, gồm toàn bộ các dạng sống đƣợc tạo nên từ trái đất. Đa dạng sinh học luôn đƣợc thể hiện ở các cấp độ khác nhau nhƣ đa dạng gen, đa dạng loài và đa dạng hệ sinh thái. Theo các nhà khoa học của Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật, ở cấp độ hệ sinh thái, Vịnh Hạ Long có thể đƣợc chia làm hai hệ sinh thái lớn, đó là hệ sinh thái rừng thƣờng xanh mƣa ẩm nhiệt đới và hệ sinh thái biển và ven bờ.
Đối với hệ sinh thái rừng thƣờng xanh mƣa ẩm nhiệt đới, các nhà khoa học đã thống kê đƣợc trên các đảo ở Vịnh Hạ Long, Bái Tử Long và Cát Bà có 507 loài, 351 chi thuộc 110 họ thực vật bậc cao, trong đó có 486 loài mộc lan, 17 loài dƣơng xỉ và 20 loài thực vật ngập mặn; đối với động vật đã thống kê đƣợc 66 loài lƣỡng cƣ và bò sát, 77 loài chim và 22 loài thú. Đặc biệt, các nhà khoa học Pháp (thời ngƣời Pháp còn chiếm đóng vùng than Quảng Ninh) và Hiệp hội Bảo tồn thiên nhiên thế giới (IUCN) đã phát hiện đƣợc 17 loài thực vật đặc hữu chỉ có ở Hạ Long nhƣ nhài Hạ Long, sung Hạ Long, khổ cừ Đại Nhung, tuế Hạ Long…
Hệ sinh thái rừng kín thƣờng xanh mƣa ẩm nhiệt đới ở Hạ Long còn có đặc trƣng bởi các kiểu rừng trên núi đá vôi. Các kiểu thảm thực vật và rừng này đƣợc chia làm 4 loại chính, mỗi loại có đặc thù riêng, gồm rừng ẩm mƣa mùa trên núi đá, dạng cây bụi trên nền khô núi đá, rừng ngập mặn và thực vật ở hang động núi đá.Theo số liệu thống kê tính đến hết năm 2009, trên địa bàn thành phố có tổng diện tích đất rừng là 5.862,08ha/tổng diện tích thành phố là 27.153,40 ha. Tỷ lệ che phủ của rừng đạt: 21,58 %. Trong đó rừng trồng 5.445,69ha và rừng tự nhiên 416,39ha (bao gồm: rừng gỗ 27,94ha, rừng tre nứa 17,31ha, rừng ngập mặn 371,14ha).
Đối với hệ sinh thái biển và ven bờ (gồm hệ sinh thái đất ƣớt và hệ sinh thái biển), các nhà khoa học đã thống kê đƣợc tại Vịnh Hạ Long, Bái Tử Long
và Cát à có 571 loài động vật đáy, 419 loài sinh vật phù du, 181 loài san hô, 156 loài cá, 139 loài rong biển, 5 loài cỏ biển và 19 loài thực vật ngập mặn. Do có lợi thế đƣợc 2 lần công nhận là di sản thiên nhiên thế giới. Với tổng diện tích 1553 km2, bao gồm 1696 hòn đảo lớn nhỏ, vùng di ản đƣợc thế giới công nhận có diện tích 434 km2 bao gồm 775 đảo nhƣ một tam giác bao gồm 3 đỉnh là đỏa Đầu Gỗ(phía Tây), hồ Ba Hầm ( phía Nam) và đảo Cống Tây ( Phía Đông). Với nhiều hang động đẹp và huyền ảo tạo nên nét đặc biệt chỉ có ở Vịnh Hạ Long.
Đối với hệ sinh thái đất ƣớt, căn cứ theo đặc trƣng môi trƣờng sống của các loài, các nhà khoa học phân chia hệ sinh thái đất ƣớt ở Hạ Long gồm 6 dạng sinh thái cơ bản: Hệ sinh thái rừng ngập mặn, hệ sinh thái thảm cỏ biển, hệ sinh thái bãi triều rạn đá quanh các đảo, hệ sinh thái bãi triều cát ven đảo, hệ sinh thái vùng triều thấp đáy mềm cửa sông, hệ sinh thái rạn san hô và hệ sinh thái tùng, áng.
Đối với hệ sinh thái biển gồm có thực vật phù du, động vật phù du, động vật đáy biển và động vật tự du.