La bahía se extiende a lo largo de unos cinco kilómetros, entre Punta de San Felipe y el castillo de Santa Catalina, en el Puerto de Santa María. El conjunto presenta zonas de características medioambientales muy diferenciadas y es ese conglomerado de hábitats una de las razones de su valor ecológico.
La playa de Levante y la zona litoral y de dunas que se extiende entre Cortadura y la Barrosa, así como las marismas de Sancti Petri, Trocadero y los Toruños, son las zonas terrestres más interesantes. La zona de salinas, que ocupa más de 5.500 ha. es otro espacio de gran valor, y su explotación se remonta a la época de los fenicios. En los alrededores de la bahía se observan bosquetes de pino piñonero. En la zona acuática menos salina, se forman zonas de carrizo, espadaña y castañuela. La vegetación de las marismas es también muy rica y variada. El Parque incluye los Parajes Naturales de la Isla de Trocadero (290,4 ha) y las Marismas de Sancti Petri (174,1 ha).
