伊勢・三河湾は日本列島でも最大の内湾であり、生物にとって多様な生息条件が揃い、大規模な干潟を有する浅海であった年魚市潟も有していたなど、かつては非常に豊かな生物相が見られた海域であった。現在でも、伊勢志摩国立公園・三河湾国定公園・伊勢の海県立自然公園・渥美半島県立自然公園・南知多県立自然公園・藤前干潟など生物多様性にとって重要な地域を有する。
しかし、本来の自然環境からは人為的な要因によって大きく変貌し、湾内や周辺の海洋生態系も被害を被った。
魚類・貝類.
赤潮や貧酸素水塊や、生息環境の悪化によってに多大な影響を受けているとは言え、現在も湾内で漁業が営める程度には魚類や貝類の棲息が見られる。例えば、刺し網を用いた漁が行われており、また、フグの水揚げ量が比較的多い海域として知られる。また沿岸では、アサリやバカガイなどが漁獲されている。
なお、波切（大王崎）は国内でも有数のウバザメの生息地だったが、現在は絶滅危惧種であり、近年はほぼ記録がない。
哺乳類.
伊良湖岬や篠島などにはかつてニホンアシカ（絶滅種）の生息地が存在し、ニホンカワウソ（絶滅種）の分布もあった。
伊勢・尾張の両国は日本列島において商業捕鯨が発祥した地であり、知多半島の師崎や篠島などが捕鯨基地として知られた。このため、かつての伊勢・三河湾には大型鯨類が周期的に回遊していたと思われ、現在でもまれにだがザトウクジラやミンククジラなどが姿を現す場合がある。また、絶滅危惧種のコククジラが滞在した記録も複数ある。
なお、海獣（海棲哺乳類）は肺呼吸を行っているため、単なる貧酸素水塊であれば、直接の窒息死の原因にはならない。
爬虫類.
アカウミガメの生息が知られ、日出・堀切海岸、赤羽根海岸、豊橋海岸、井田海岸、広ノ浜、日和浜、黒ノ浜、表浜海岸などに産卵場所が存在する。ウミガメの保護のため、伊勢志摩国立公園と三河湾国定公園では、一定の期間は特定の砂浜への自動車やバイク等の乗り入れを規制している。
鳥類.
また、アホウドリなどの絶滅危惧種もかつては見られたとされ、近年でも記録がある。トモエガモやコクガンなどの絶滅危惧種は現在でも一帯に来遊する。
海藻.