La bahía y sus áreas aledañas sustentan importantes ecosistemas, con especies representativas del litoral atlántico reunidas en una singular concentración, debido a las favorables características físicas de la zona.
Esta singular biodiversidad ha motivado la creación de la Reserva Natural Península de San Julián de algo más de 10.000 hectáreas, y que protege legalmente a la península que delimita la margen oriental de la bahía.
La bahía de San Julián propiamente dicha está amparada bajo el status de Zona Protegida bajo uso limitado, constituyendo un ámbito propicio para la observación científica.
En la Reserva Natural Península de San Julián se observan especies endémicas de la estepa patagónica, destacando el guanaco (Lama guanicoe).
Dentro de la bahía la especie más sobresaliente es la tonina overa (cephalorynchus commersonii), la amigabilidad de estos delfines es aquí tan remarcable que es posible vivenciar una experiencia única realizando el paseo náutico o apreciar su destreza y juegos sobre la margen que abarca la avenida costera.
Una lobería no reproductiva se sitúa en proximidades de San Julián, ubicada 23 km al norte, en cercanias de playa La Mina, conformada por 250 lobos marinos sudamericanos (Otaria flavescens).
Se ha presentado un proyecto para la creación de un Parque Interjurisdiccional Marino, donde se protegerán dos grandes colonias, una de lobos marinos y otra de elefantes, que se encuentran en las cercanías de la estancia Makenke, de propiedad privada.
En la rada interior de la bahía se pueden observar las cuatro especies de cormoranes que habitan el litoral atlántico: cormorán imperial (Phalacrocorax atriceps), cormorán roquero (Ph. magellanicus), cormorán biguá (Ph. olivaceus) cormorán gris (Ph. gaimardii)(esta colonia es la más numerosa de nuestro país), el pingüino de Magallanes (Spheniscus magellanicus ), la garza bruja (Nycticorax nycticorax), la gaviota cocinera (Larus dominicanus) y la gaviota austral (Larus scoresbii). También se observa el gaviotín de pico rojo (Sterna hirundinacea), el macá grande (Podiceps major), la paloma antártica (Chionis alba) el ostero negro (Haematopus ater) skúas (C. skua antarctica) y petreles (Procellariidae).
Tanto el pingüino de Magallanes como la gaviota cocinera nidifican en el llamado Banco Cormorán, con un área total de nidificación de 98 hectáreas. También alberga una importante colonia de cormoranes Bigüá.
De acuerdo a los estudios realizados sobre la colonización avícola de dicho banco, la nidificación del pingüino de Magallanes reúne unos 130.000 individuos.
Singularmente la colonia se ubica a sólo un km. de la ciudad, por lo que no resulta extraño observar pingüinos en las playas del sector urbano e incluso en las calles de la ciudad.
Es destacable mencionar que la población se encuentra en un sostenido crecimiento desde la estimación poblacional hecha en 1993.
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