La marisma es el mayor ecosistema en extensión del Parque, unas 27.000 ha, y el que otorga a este espacio una personalidad inconfundible. Es una zona húmeda de extraordinaria importancia como lugar de paso, cría e invernada de aves europeas y africanas.
Se inunda gracias al aporte de algunos arroyos y a las aguas de lluvia, lo que hace que presente una estacionalidad muy marcada.
En otoño, la marisma se encharca con las primeras lluvias y en invierno se va inundando progresivamente a medida que se incrementan las lluvias; en primavera, la superficie del agua se ve cubierta por las flores de los ranúnculos y grandes extensiones de castañuela y bayunco. En verano, la marisma es un desierto de arcilla rota y polvorienta. A pesar de la ausencia de relieves significativos, pequeños desniveles condicionan la existencia de diversos hábitats en el ecosistema marismeño.
- La marisma dulce es la que tiene una mayor profundidad y, por lo tanto, concentra en años de lluvias normales mayor cantidad de agua y durante más tiempo, lo que hace que disminuya su salinidad y pueda crecer una vegetación palustre de castañuela (Scirpus maritimus) y bayunco (Scirpus littoralis). En zonas más profundas aparecen algunas plantas acuáticas como Ranunculus peltatus, R. tripartitus, Eleocharis palustris, Potamogeton trichioides, Elatine alsinastrum y otras. Aquí encuentran alimento y refugio numerosas especies de aves: ánade azulón (Anas platyrhynchos), cuchara europeo (Anas clypeata), ánade rabudo (Anas acuta), cerceta común (Anas crecca), focha común (Fulica atra), porrón común (Aythya ferina), malvasía cabeciblanca (Oxyura leucocephala), etc. Las larolimícolas incluyen al avefría europea (Vanellus vanellus), chorlitejo chico (Charadrius dubius), chorlitejo patinegro (Charadrius alexandrinus), avoceta común (Recurvirostra avosetta), cigüeñuela común (Himantopus himantopus), charrancito (Sterna albifrons) y fumarel cariblanco (Chlidonias hybridus). También se pueden observar grandes bandadas de flamencos (Phoenicopterus ruber) y ánsares comunes (Anser anser). Durante la sequía veraniega, estas láminas de agua quedan muy reducidas o completamente secas, mostrando un fondo cuarteado de limos arcillosos grises, cubiertos a veces de costras salinas blanquecinas.
- La marisma salada o marisma de almajo es la que tiene zonas ligeramente más elevadas donde el aporte de agua dulce es menor y la salinidad del suelo mayor. Las plantas dominantes son los almajos, el almajo salado (Arthrocnemum macrostachyum) y el almajo dulce (Suaeda vera), con una cohorte escasa de plantas herbáceas entre las que destacan Plantago coronopus y Hordeum maritimum, que suele crecer asociado a los pies del almajo. Aquí nidifican grandes colonias de aves limícolas como cigüeñuelas (Himantopus himantopus), avocetas (Recurvirostra avosetta), alcaravanes (Burhinus oedicnemus), canasteras comunes (Glareola pratincola), etc.
El golfo que originaba la desembocadura del Guadalquivir estaba surcado por pequeños encauzamientos o por desviaciones temporales seguidas por el curso principal. Los caños son lo que antaño fueran cauces de arroyos, brazos y afluentes del río. Hoy están cubiertos de eneas (Typha latifolia) y carrizos (Phragmites australis), en los que se ocultan carpas (Cyprinus carpio), ranas (Rana perezi), gallipatos (Pleurodeles waltl), galápagos leprosos (Mauremys leprosa), galápagos europeos (Emys orbicularis), calamones comunes (Porphyrio porphyrio), avetorillos comunes (Ixobrychus minutus), martines pescadores (Alcedo atthis), etc.
Las vetas y vetones son terrenos que se elevan por encima del nivel medio, formando pequeñas islas que raramente se inundan. Son lugares de descanso y refugio durante las grandes inundaciones, y área de nidificación muy importante de larolimícolas, que forman grandes colonias, compuestas por cigüeñuelas (Himantopus himantopus), avocetas (Recurvirostra avosetta), canasteras comunes (Glareola pratincola), chorlitejos patinegros (Charadrius alexandrinus), avefrías europeas (Vanellus vanellus), pagazas piconegras (Gelochelidon nilotica) , charrancitos comunes (Sternula albifrons) y gaviotas picofinas (Chroicocephalus genei). A menudo era el lugar que escogían ganaderos, guardas y pescadores para instalar sus casas o chozas.
Los paciles son amplias superficies ligeramente más bajas que vetas y vetones, que se encharcan ocasionalmente, y en las que conviven almajos con otras plantas halófilas, aquéllas adaptadas a hábitats con gran cantidad de sales. Muchas especies animales establecen aquí sus territorios de cría, como la cigüeñuela común (Himantopus himantopus) , la canastera común (Glareola pratincola) y el chorlitejo patinegro (Charadrius alexandrinus).
Los ojos de la marisma son surgencias de agua, fuentes naturales por las que afloran aguas dulces almacenadas a mucha profundidad. Aparecen en puntos cercanos a los bordes de la marisma, y para muchos animales se convierten en un recurso para calmar la sed en épocas de sequía o en verano.
En las zonas más alejadas de las aguas, la vegetación se aferra a un suelo inestable y seco, formando pequeños obstáculos que serán el origen de las dunas vivas: alhelí de mar (Malcomia littorea), nardo marino (Pancratium maritimum), cardo marino (Eryngium maritimum), lechetrezna de mar (Euphorbia paralias). Sólo en su parte alta, más estable, aparece una vegetación característica con Ammophila arenaria, Agropyrum junceum, Carex arenaria y otras.