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 nhờ sự quy tụ hầu hết các hệ sinh thái điển hình, quý hiếm của vùng biển nhiệt đới như hệ sinh thái đất ngập nước, rạn san hô, rừng ngập mặn, thảm cỏ biển, cửa sông, đảo biển, bãi cát ven bờ.
