Il granito, grandemente diffuso in questo settore, caratterizza e modella il paesaggio emerso e sommerso dell'area marina.

La geomorfologia offre poi numerosi elementi di interesse scientifico: tor, inselberg, tafoni e alveoli scavati sulle scogliere; e poi sistemi dunari, spiagge fossili, spiagge sommerse, piattaforme di abrasione.

Studiare queste forme e questi sistemi significa poter tracciare un quadro evolutivo del paesaggio in funzione delle caratteristiche ambientali che, nel tempo, hanno inciso su questo territorio.

La vegetazione terrestre dell'area è legata al climax delle boscaglie termoxerofile sempreverdi litoranee: la caratteristica climatica che più incide sulla zona è la scarsità di precipitazioni che, unita a temperature medie elevate, causa un forte deficit idrico per le piante.
Le specie presenti sono quindi adattate per fronteggiare tali difficoltà.

Sulle sabbie il massimo grado di sviluppo della vegetazione è dato dalla boscaglia a Ginepro coccolone, mentre su altri tipi di substrato è il Ginepro fenicio a strutturare la stessa.

I paesaggi vegetali naturali sono vari, e vanno dalle macchie costiere, alle garighe, alla vegetazione delle sabbie, dei fondali, dei corsi d'acqua.

Uno degli studi più recenti sulla vegetazione costiera dell'area ha permesso di ricavare un elenco floristico di 136 specie.

Tra le specie endemiche (esclusive di un dato areale) importanti dal punto di vista paleogeografico, ricordiamo il Limonium retirameum, esclusivo della Sardegna sud-orientale, e la Ferula arrigonii, che si trova sull'isola di Serpentara e dei Cavoli.

Il paesaggio vegetale sommerso più diffuso è invece quello della prateria di Posidonia.

L'importante formazione, protetta in base all'allegato della Direttiva Habitat 92/43/CEE, rappresenta uno degli ecosistemi marini più produttivi, svolge un ruolo fondamentale nell'ossigenazione delle acque, ed inoltre dà ospitalità ad una comunità epifitica vegetale ed animale.

La prateria dei fondali della riserva, ampiamente studiata, non presenta segni di stress ambientale, a riprova delle buone condizioni ecologiche generali dell'ambiente marino e terrestre di Villasimius.

Per quel che riguarda la fauna terrestre è degno di nota il popolamento avifaunistico legato soprattutto alla stazione dello stagno di Notteri, frequentato da specie di interesse comunitario come il Fenicottero, la Garzetta, il Gabbiano corso, la Sterna comune e il Fraticello.

Segnaliamo inoltre il Pellegrino, il Marangone dal ciuffo, la Magnanina sarda, il Calandro, la Calandrella, l'Averla piccola e le Berte dell'Isola dei Cavoli.

Documenti del XIII secolo, riferiscono d'ella nidificazione di falconi nel territorio di Villasimius, la cui abilità venatoria veniva sfruttata per la caccia reale. Si suppone si trattasse del Falco della regina.

Ma non dimentichiamo Rettili come la Testuggine terrestre, la Lucertola campestre, il Biacco; Anfibi come il Rospo smeraldino e la Raganella (tutti meritevoli di tutela secondo le Direttive 92/43 e 79/409 CEE).

Tra i Mammiferi, a parte diverse specie di roditori, troviamo la Lepre sarda, la Volpe, la Donnola. La fauna dell'ambiente marino è ricca e varia tanto quanto lo sono gli ambienti marini, che possiamo schematicamente distinguere in fondali (dominio bentonico) e massa d'acqua sovrastante (dominio pelagico).

Tra gli organismi bentonici sono presenti Policheti, Molluschi, Crostacei, Echinodermi.

Una menzione particolare per la Pinna nobilis, il più grande mollusco bivalve del Mediterraneo, che in questo mare corre il pericolo di estinguersi.

Tra gli organismi nectonici capaci di movimento attivo, citiamo quelli che sono poi anche oggetto dell'attività di pesca: Scorfani, Triglie, Saraghi, Labridi, Capponi, Spigole, Orate, Cernie e Gronghi.

Infine a conferire ulteriore valore al patrimonio faunistico, segnaliamo la presenza di Mammiferi marini.