Sus islas representan sistemas naturales ligados a zonas costeras y plataforma continental de la Región Eurosiberiana, dominadas por roca y océano del que emergen en las puertas de las rías de Vigo, de Pontevedra y de Arousa. Antaño, las islas estaban unidas a las sierras litorales, ahora aisladas por la inundación de la costa; sus islas exteriores (Cíes, Ons y Sálvora), funcionan como una cadena de islas que protegen las rías.
Su relieve se caracteriza por presentar dos vertientes diferenciadas. La occidental, enfrentada a mar abierto, es más abrupta, con fuertes pendientes que forman acantilados. La oriental, que mira a las rías, es de perfil más suave, permitiendo la formación de playas y dunas. Los fuertes vientos, cargados de salitre, el escaso desarrollo de los suelos y la escasez relativa de lluvias determinan las condiciones naturales de las islas. La cercanía al continente, la singularidad del suave relieve y la influencia del mar configuran su biodiversidad y sus paisajes únicos.
La flora de los ecosistemas litorales debe protegerse de la aridez, la sal y el viento. Las playas y dunas, ambientes de gran aridez, obligan a las plantas a presentar especiales adaptaciones: colores claros que reflejen la luz, raíces muy profundas, bulbos de reserva de agua, etc. Son plantas de distribución muy restringida y, por tanto, de protección obligada. El barrón, la azucena de mar y el alhelí de mar son algunas de las especies representativas de estos medios.
Los acantilados, zonas de escaso sustrato y enfrentadas a fuertes vientos cargados de salitre, sólo permiten la supervivencia de plantas muy adaptadas. Destaca Angelica pachycarpa como planta exclusiva del noroeste peninsular, asociada a los acantilados frecuentados por colonias de gaviotas. Los matorrales costeros atlánticos y submediterráneos, dominados por el tojo, presentan algunas especies de carácter submediterráneo como el torvisco y el jaguarzo negro. Como especie propia de este matorral podemos destacar Cytisus insularis, una retama exclusiva del parque. Las manchas arbóreas de eucaliptos, pinos y acacias son producto de la repoblación, pero en zonas abrigadas quedan núcleos aislados de especies arbóreas autóctonas como el roble melojo o el endrino. En Cortegada encontramos también espectaculares bosques de laurel.
Ecosistemas submarinos: En el mar, distintos fondos rocosos, bancos de arena, fondos de maërl, fondos de cascajo y bosques de algas crean un gran mosaico de ecosistemas en estas islas y las aguas que los rodean. La extraordinaria riqueza marina de las islas se explica por el afloramiento o ascenso de aguas profundas ricas en nutrientes, que sirven de sustento a pequeños microorganismos, base de la cadena alimentaria.
La circulación de las corrientes marinas y estuáricas, la diversidad de sustratos y el relieve de los fondos dotan al medio marino de distintos escenarios ecológicos que determinan la gran diversidad de flora y fauna marinas. Este es el gran tesoro escondido del parque. La luz y el oleaje, junto con la profundidad y las características del sustrato, condicionan la distribución de la flora marina. En la cara oeste de las islas resaltan las grandes algas pardas de los géneros Laminaria y Saccorhiza, que forman auténticos bosques submarinos. También destacan los fondos de maërl, que están formados por la agregación de miles de algas coralígenas de pequeño tamaño y de varias especies.
Esta diversidad de escenarios da cabida a un gran número de especies: más de 200 tipos de algas entre las que se refugian y crían gran cantidad de peces y moluscos, aves marinas que anidan en las repisas de los acantilados y pescan en las aguas poco profundas, plantas sorprendentemente adaptadas a vivir entre las arenas de las dunas o en las estrechas grietas de los acantilados.