El Parque Nacional Bahía de Loreto tiene un gran número de habitats marinos, insulares y costeros, es refugio para un amplio número de especies marinas y terrestres. La flora dentro del parque esta representada por 161 especies de microalgas y más de 600 especies de plantas terrestres registradas en las islas.

La vegetación de la islas del Parque y de la zona costera se enmarca, de acuerdo con Wiggins (1980), en dos tipos básicos: el primero es designado matorral xerófilo (Miranda y Hernández, 1964; Rzedowski,1986) o bien como matorral sarcocaule (SPP-INEGI-1981).
La totalidad de las islas del Golfo de California se ubican dentro de la provincia biodegrafica del Desierto Sonorense, el tipo de vegetación se compone principalmente por arbustos y herbáceas perenes adaptados a los tipos climáticos muy calientes y muy secos. De  las islas que comprende el P.N. Bahía de Loreto, Se han determinado 262 especies de vegetales superiores, de los cuales 120 corresponden a la zona costera.
En isla coronados, en la región del cráter, paisaje conocido como malpais, dominan las cactáceas (chollas y cardones) y especies arbustivas, como el torote (Bursera laxiflora), palo Adán (fouquieria diguetii) y matadora (jatropha cuneata). Hay  dos subespecies de plantas cuyo endemismo se extiende a varias islas cercanas, una de ellas es Ferocactus diguetii var. Carmenensis (biznaga de mas de dos metros) y Cryptantha gravi var. Nesiotica. Es importante señalar que en la playa los metates y en la Ensenada oeste (Punta el Bajo) de esta isla existe una pequeña colonia de bosque de mangle negro (Avicenia germinans) el cual es una especie con protección especial en la NOM-059-ECOL-2001.

En algunas de la ensenadas de isla del Carmen hay manglares; específicamente en la playa de Puerto Balandras se encuentra uno de los bosques mas grandes dentro del Parque y esta compuesto por mangle rojo (Rizophora mangle), mangle negro (Avicenia germinans) y mangle blanco (Laguncularia racemosa), los cuales se encuentran bajo protección especial en la NOM-059-ECOL-2001. En las playas hay vegetación propia de dunas, en las cañadas vegetación arbórea con palo verde (Cercidium floridum peninsulare), torote (B. fogaroides var. elogata), palo fierro (Olneya tesota), bajo protección especial en la NOM-059-ECOL-2001, mezquite (Prosopis glandulosa var. torreyana) y, en las partes mas áridas dominan las cactaceas y euphorbiaceas, entre las que se encuentran especies  endémicas a nivel de variedades (F. diguetti var. diguetti, F. diguetti var. carmenensis, Euphorbia Policarpo var. carmenensis y E. Policarpo var. johnstoni.
La flora y fauna de isla Danzante, son muy similares a las que se encuentran en la península y la isla del Carmen y muy cercana  a ambas, por lo que si flora y su fauna son muy similares. Una característica de esta isla es la abundancia de matadora (J. cuneata).
La flora de isla Montserrat esta conformada por especies presentes en la península como palo fierro (O. tesota), Pithaya agria (Machaerocereus gummosus), palo verde (C. microphyllum), matadora (J. cuneata) y frutilla (Lycium spp.).
La vegetación de isla Santa Catalina, también diversa, esta formada por matorrales y cardones gigantes de varias toneladas de peso. Existen especies endémicas, como: Marina Catalinae y una población de biznagas gigantes (F. diguetti var. diguetti), que se caracterizan por ser los ejemplares mas grandes de todo el Golfo de California, con una altura de hasta 4 metros  y un diámetro de  hasta 1 metro.

Dentro de la fauna marina, se han registrado más de 300 especies de macro invertebrados (e.g. crustáceos, moluscos, equinodermos), algunos de ellos de importancia comercial o bajo alguna categoría de protección.

El grupo de peces destaca por su abundancia con más de 260 especies registradas para el parque, resaltando los peces de arrecife rocoso con valor como especies de ornato. Además, en el parque se han registrado 5 de los 7 géneros de tortugas marinas del mundo.

Los mamíferos se encuentran muy bien representados; dentro del parque se han registrado se han registrado 30 especies de mamíferos marinos como la ballena azul, la de aleta, la jorobada, los calderones, orcas, cachalotes, delfines y lobos marinos. En total, en el parque se pueden observar el 75% de los mamíferos marinos que se encuentran en las costas de México.

En relación a las aves, se han registrado cerca de 228 especies entre terrestres, marinas, residentes y migratorias. Por otro lado, los reptiles son la especie más representativa en las islas, mientras que los mamíferos son el grupo menos diverso. Entre ellos, el mejor representado es el de los roedores. Sin embargo, la fauna terrestre en general destaca por alto grado de endemismo.