La isla de Holbox es un espacio biodiverso donde confluyen varias especies. La zona representa el hábitat de decenas de especímenes de flora y fauna, algunos de ellos con categoría de riesgo dentro de la norma oficial mexicana NOM-059-SEMARNAT-2010.

Blanca Hernández, investigadora de la Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional de México, detalló que en este lugar, de mayo a octubre llega a reproducirse el tiburón ballena, el pez más grande del orbe, que sólo aparece en las costas de seis países (Australia, Nueva Zelanda, Filipinas, Tanzania, Honduras y México).

Hay diversos tipos de aves, tres endémicas: el gallito de mar, el colibrí Amazilia Rutila, garzas, pelícanos grises y blancos, halcón peregrino, águila cresta, pavo de monte, fragatas, entre otras. Además, se encuentra la comunidad más grande de flamencos del Caribe.

El pulpo Octopus Maya es una de las especies endémicas de la zona. También cohabitan aquí el cangrejo bayoneta, que es un fósil viviente por su gran antigüedad, y mamíferos como tlacuachillo dorado, mono araña, oso hormiguero, jaguar, puma, jabalí de labios blancos, venado temazate, entre otros.

Además, hay 400 especies vegetales, 13 de ellas cuentan con algún estatuto de protección.