Vùng biển có đa dạng sinh học cao, sự phong phú và đa dạng của rạn san hô và cỏ biển. Các rạn san hô có độ phủ san hô dày trung bình đến 43%. Phân bố xung quanh đảo, dọc theo đường bờ Vĩnh Hảo - Cà Ná về trên bãi cạn Breda.

Đa dạng sinh học ở Hòn Cau

- Cà Ná thể hiện ở sự đa dạng của: 1) Thủy sinh vật; 2) Động vật đáy; 3) Rong và cỏ biển; 4) San hô; 5) Cá; 6) Động vật không xương sống kích thước lớn; 7) Thú; 8) Chim; 9) Bò sát.

Khu vực biển Hòn Cau - Cà Ná có trên 175 loài thực vật phù du thuộc 3 ngành:

Tảo lam (Cyannophyceae), Tảo khuê (Bacillariophyceae) và Tảo giáp (Dianophyceae). Trong đó, Tảo khuê có sự đa dạng nhất về thành phần với Tảo lông chim (Pennales) chiếm ưu thế. Các giống có số lượng loài cao gồm Chaetoceros (28 loài), Rhizosolenia (14 loài), Ceratium (12 loài), Coscinodiscus (11 loài) và Bactriastrum (8 loài).

Động vật đáy vùng biển Hòn Cau gồm: 1) 42 loài Thân mềm thuộc 80 giống, 44 họ và 11 bộ. Thuộc 3 lớp: Chân bụng (Gastropoda), lớp Hai mảnh (Bivalvia) và lớp Chân đầu (Cephalopoda); 2) 35 loài Da gai thuộc 31 giống, 20 họ Da gai kích thước lớn; 3) 55 loài Giáp xác thuộc 35 giống, 18 họ và 2 bộ. Một số loài có giá trị kinh tế cao như các loài Tôm he (Penaeusspp.), Tôm hùm bông (Panulirus ornatus), Tôm hùm đỏ (Panulirus versicolor), Tôm hùm sen (Panulirus versicolor), Tôm vỗ biển sâu (Ibacus ciliatus), Tôm vỗ xanh (Parribacus antarcticus), Tôm vỗ dẹp trắng (Thenus orientalis), Tôm rảo (Metapenaeus spp.)...163 loài rong biển và loài cỏ biển. Thành phần rong lớn phổ biến thuộc các giống Turbinaria, Sargassum, Caulerpa, Chnoospora, Chamia và Halimeda. 234 loài san hô tạo rạn thuộc 61 giống và 18 họ san hô cứng tạo rạn, 28 loài san hô mềm, 2 loài san hô sừng và 2 loài thủy tức san hô.

Các họ san hô tạo rạn có số lượng loài lớn gồm Acroporidae (67 loài), tiếp theo là họ Faviidae (51 loài), Portidae (24 loài), Fungiidae (16 loài), Agariciidae (14 loài), Mussidae (11 loài), Dendrophylliidae (10 loài), Pocilloporidae và Pectiniidae (mỗi họ 8 loài) và Sideratreidae (7 loài).

Các loài có phân bố rộng và phổ biến ở khu vực khảo sát gồm Acropora nobilis, Acropora formosa, Cyphastrea serailia, Galaxea fascicularis, Montastrea valencinnesi và Pocillopora damicornis. 324 loài cá thuộc 115 giống và 41 họ trong vùng nước quanh Hòn Cau.

Mật độ cá rạn tại 10 điểm khảo sát dao động từ 28,8 - 183,0 con/100m² (trung bình 106,8 con/100m²), trong đó khu vực rạn ở bãi cạn Breda có mật độ cao nhất (từ 169,3 - 183,0 con/100m²), tiếp theo là khu vực Hòn Cau (từ 76,9 - 127,6 con/100m²).

Các bãi cát quanh đảo Hòn Cau là bãi đẻ của Đồi mồi (Eretmochelys imbricata) và Rùa xanh (Chelonia mydas).

Nhóm động vật không xương sống kích thước lớn đặc trưng tại khu vực gồm: Cầu gai đen Diadema spp.; Ốc đụn Trochus spp. và Hải sâm Holothuria spp. Trai tai tượng Tridacna spp.; Tôm hùm; Ốc tù và (Charonia triton), Tôm bác sĩ (Stenopus hispidus), Cầu gai bút chì (Heterocentrotus mammillatus) và Sao biển gai (Acanthaster planci). 80 loài chim tại khu vực Hòn Cau và vịnh Cà Ná đại diện cho 32 họ 14 bộ.