後述の通り、本来はニホンアシカや鯨類が豊富に生息していたが、現在ではニホンアシカは絶滅種に認定され、全体的に鯨類自体の出現も限られている。また、セミクジラやコククジラと言った絶滅危惧種の混獲が相次ぎ、本湾におけるスナメリの地方個体群は激減したなど、現在では危機的な状況に置かれている。しかし、ザトウクジラは将来的な東京湾への出現が増加することが予想され、マッコウクジラは現在でも浦賀水道や館山湾や三浦半島など湾口の周辺に来遊する事がある。また、小型のイルカ類や上記のスナメリも少数ではあるが湾内に生息しており、時には大規模なイルカの群れが現れたり、シャチの目撃例も存在する。
生態系の欠落.
上記の通り、現在の東京湾の生態系は、メガファウナ（）やマクロを問わずに様々な生物種が激減したり欠落した状態である。とくにメガファウナに関しては、現在では本来の生態系から喪失した部分が大きい。
明治時代まではアシカ島など湾内では絶滅種であるニホンアシカが繁殖し、数多くの鯨類も見られた。古式捕鯨の主対象であったセミクジラやザトウクジラやコククジラを中心とした沿岸性が強いヒゲクジラ類が湾内に回遊していた可能性が高く、袖ヶ浦や浦安沖から湾奥部などでよく見られた「クジラまわし」と呼ばれる光景は、冬の風物詩の一つとされた。また、シロナガスクジラの可能性がある記録（寛政の鯨）も存在する。後述の通り、ツチクジラも浦賀水道から鋸南町の一帯に多数が回遊していた。
赤潮と青潮.
多摩川、鶴見川、荒川、隅田川、江戸川、小櫃川などが注いでいるが、湾口が狭く外海との海水の交換は行われにくい。そのためプランクトンの異常発生である赤潮が度々発生してきた。
干潟の再生.
沿岸の埋め立てに伴い干潟面積は大きく減少しているが、海水の浄化作用があること、海生生物や野鳥の生息に欠かせない自然環境であることから、残された天然の干潟に対する保護運動が起きている。現在、東京湾に残る干潟は以下の通り。
干潟は東京湾に生息するスズキやタイ、貝類など日本固有種を含む漁業価値の高い魚介類の稚魚の生息地となっており、これを保護・拡張することは環境面のみならず東京湾の漁業や観光（釣り）などの事業価値を高めることにもつながるため、その価値は大変高いものである。
合流式下水道越流水問題.