Los ecosistemas conocidos como petenes solo se localizan en la Península de Yucatán, en Cuba y en la Península de Florida, por lo que esta región es considerada como un área única a nivel internacional, declarada sitio Ramsar por su valor excepcional como humedal. Una importante característica de estas islas es la disponibilidad de agua dulce que tienen a lo largo de todo el año, ya que a través de los afloramientos, ojos de agua o manantiales, reciben un aporte continuo de agua proveniente de las corrientes subterráneas.
El término “petenes” proviene de un vocablo maya que significa “campos llanos junto al mar a manera de islotes”. Los petenes se distribuyen en todo el borde de la Península de Yucatán, pero son particularmente abundantes y vigorosos en el noroeste del estado de Campeche.
La característica más notable del Área Natural Protegida es la presencia de “petenes” (islas de vegetación arbórea vigorosa asociada a manantiales u ojos de agua, que constituyen un hábitat crítico para la fauna silvestre. Estas islas forman asociaciones de vegetación, inmersas en una matriz de vegetación baja inundable, las cuales pueden estar constituidas por manglar, selva baja inundable, selva mediana o una mezcla de ellas). Otro ecosistema sobresaliente es el de los pastos marinos, presentes en la zona marina de la Reserva.
Al menos se han encontrado 473 especies vegetales registradas dentro de la reserva, 22 endémicas de la Península de Yucatán, 4 especies amenazadas, 2 raras y 5 bajo alguna protección especial. Sus principales clases de vegetación son:
Los petenes (de vegetación variada).
Manglar de franja (manglar que bordea el litoral).
Manglar chaparro (ligado al periodo de lluvias).
Manglar de cuenca (también llamado de ciénega, particular de las zonas inundadas de forma permanente o semipermanente).
Matorral de duna costera.
Pastizal inundable.
Selva baja caducifolia y subcaducifolia.
Selva baja inundable.
En las isletas de los petenes crecen especies arbóreas de mangle, chechén, cedro americano, caoba, entre otras. Los manglares de borde tienen como predominante el mangle botoncillo. La selva baja se caracteriza por pantanos dulceacuícolas de influencia mareal.
Se han registrado por lo menos 449 especies: 295 tipos de aves (tanto migratorias como residentes), 65 de mamíferos terrestres, 68 de peces y 21 de reptiles, además de las muchas especies de invertebrados terrestres y acuáticos. El 60% de estas especies son consideradas residentes permanentes y 40% migratorias.
De la fauna, 78 son especies que están en alguna categoría de riesgo (64 especies de aves y 14 especies de mamíferos) y de los cuales un alto porcentaje son compartidas con la Reserva de la biosfera Ría Celestún (de ahí que muchos organismos protectores intentan unirlas en una misma área de influencia).
Son 47 las especies de mamíferos registradas, 16 especies (34%) dentro de una categoría de riesgo. Dentro de los mamíferos en categoría de riesgo destacan en la porción terrestre el mono araña (Ateles geoffroyi), el jaguar (Panthera onca), el ocelote (Leopardus pardalis), el tigrillo o margay (Leopardus wiedii), el perro de monte llamado localmente viejo de monte (Eira barbara), la onza o yaguarundí (Puma yagouaroundi), el oso hormiguero mexicano (Tamandua mexicana), el kinkajú o mico de noche (Potos flavus), el cacomixtle (Bassariscus sumichrasti), la musaraña (Cryptotis nigrescens), el tapir o danto (Tapirus bairdii), la rata de oreja grande de Yucatán (Otonyctomys hatti), el ratón de patas blancas (Peromyscus leucopus), el puercoespín enano peludo mexicano o puercoespín tropical (Sphiggurus mexicanus) y dos especies de murciélago: Tonatia evotis y Trachops cirrhosus.
La Secretaría de Ecología del Estado de Campeche reporta que frente a las costas de Los Petenes y Ría Celestún circulan organismos representativos de 29 especies de cetáceos y 1 especie de sirénido (el manatí, Trichechus manatus), de ellos los más comunes son las ballenas piloto (Globicephala macrorhynchus), el cachalote enano (Kogia sima), el cachalote pigmeo (Kogia breviceps) y el cachalote (Physeter macrocephalus).
La Reserva de la Biosfera Los Petenes se califica como un área importante para la supervivencia de una gran diversidad de aves acuáticas y migratorias, principalmente las provenientes de Canadá y los Estados Unidos de América.
Destacan la cigüeña jabirú (Jabiru mycteria), el guajolote o pavo ocelado (Meleagris ocellata), el hocofaisán (Crax rubra), el flamenco del Caribe (Phoenicopterus ruber), el tántalo americano (Mycteria americana), el pelícano blanco (Pelecanus erythrorhynchos), los cocopatos o ibis blanca americana (Eudocimus albus), las cercetas de alas azules (Anas discors), la garza ventriblanca o tricolor (Egretta tricolor), la garza blanca (Ardea alba), el pato cuervo (Phalacrocorax olivaceus) y varias especies de golondrinas (Tachycineta bicolor, Tachycineta albilinea, Progne chalybea, Hirundo rustica).
En 1995 se localizó una colonia de 500 nidos de flamenco dentro de la reserva, lo que refuerza la idea de que las aves acuáticas de la Península de Yucatán utilizan y dependen de los humedales costeros que la rodean. En este caso, la Reserva funciona como una alternativa para la perturbación que en zonas aledañas han sufrido las poblaciones de flamencos. En ciertas épocas del año, específicamente en los meses de sequía, es posible encontrar más de 10,000 flamencos que se desplazan diariamente entre Los Petenes y Ría Celestún.
Existen registros de 21 especies de reptiles. El más sobresaliente reportado para la región es el cocodrilo mexicano (Crocodylus moreletii) aunque no es tan abundante como en la región suroeste de la Península de Yucatán (Laguna de Términos y sistemas fluvio-lagunares).
Las playas de la reserva son áreas importantes de arribazón de tortugas carey (Eretmochelys imbricata) y tortuga blanca (Dermatemys mawii), ambas en peligro crítico de extinción, así como tortuga caguama (Caretta caretta), la cual se encuentra en peligro de extinción. Otros reptiles son el basilisco o turipache de montaña (Corytophanes hernandezi), la culebra cordelilla chata (Imantodes cenchoa), el bequech cola azul (Plestiodon sumichrasti), el anolis escamoso (Anolis tropidonotus), la culebra corredora barrada (Dendrophidion vinitor) y la culebra engañosa norteña (Xenodon rabdocephalus).
Destacan la rana verde de ojos rojos (Agalychnis callidryas), la ranita arborícola o quech (Dendropsophus microcephalus), la ranita amarillenta moteada (Dendropsophus ebraccatus), la ranita pintada arborícola (Tlalocohyla picta), la rana habladora (Tlalocohyla loquax), el sapo gigante de caña en su categoría de nativo y no de plaga (Rhinella marina), la rana leopardo (Lithobates berlandieri), la rana ovejera o llamada localmente chacmuch (Hypopachus variolosus) y 1 especie de salamandra: la salamadra yucateca o salamanquesa (Bolitoglossa yucatana).
Existen al menos 47 especies de peces marinos, 6 de los cuales de agua dulce. El estado de Campeche tiene en sus aguas costeras un gran número de especies demersales (especies que viven cerca del fondo del mar) y bentónicas (los que viven en el fondo) que utilizan los pastos marinos como áreas de protección, alimentación y crianza. Las de mayor valor comercial son el boquinete (Lachnolaimus maximus), la sierra (Scomberomorus maculatus) y el róbalo blanco (Centropomus undecimalis), otras especies de importancia son el mero (Epinephelus morio), el pargo rojo o huachinango (Lutjanus campechanus), y la sardina (Sardinella anchovia y Sardinella brasiliensis).
Dentro del grupo de los crustáceos destacan el cangrejo de mar llamado localmente cacerolita de mar (Limulus polyphemus) y las especies de camarón, principalmente el camarón rosado (Farfantepenaeus duorarum) y el camarón blanco (Litopenaeus setiferus), estos 2 son de gran importancia comercial como ecológica, al ser piedra pilar en la cadena alimenticia de muchas aves. Destaca también el cangrejo moro (Menippe mercenaria) cuya 
distribución se extiende hasta 5 kilómetros de la línea costera. Limulus polyphemus es una especie única en el continente americano, tanto por su condición de especie amenazada como por la peculiaridad de ser considerada una especie casi fósil, endémica de las penínsulas de Yucatán y Florida.
Dentro de los moluscos destacan 5 especies de bivalvos: el ostión de mangle (Crassostrea rhizophorae), el callo de hacha (Atrina rigida), la almeja blanca (Codakia orbicularis), la almeja rugosa (Chione cancellata) y el mejillón (Geukensia spp.). En lo correspondiente a los caracoles se calculan no menos de 22 especies de gasterópodos, 19 adyacentes a la región costera de la reserva, destacando el caracol blanco (Lotabus costatus, L. raninus, L. gallus, Strombus alatus, S. pugilis); chivitas (Melongena melongena, M. corona); sacabocado (Busycon contrarium, B. carica, B. spiratum, B. canaliculatum); trompillo o campechana (Fasciolaria tulipa y F. hunteria); chac-pel rojo (Triplofusus giganteus) y el negro o tomburro (Xancus angulatus), todos ellos capturados comercialmente en la zona. En cuanto a los cefalópodos se puede encontrar el pulpo rojo (Octopus maya), endémico de la Península de Yucatán y 2 especies de calamar: Lolliguncula brevis y Doryteuthis plei.
Los diferentes escenarios naturales y la biodiversidad que se puede observar tanto en ambientes terrestres como acuáticos hacen que Los Petenes tengan un potencial significativo para desarrollar un programa de turismo y recreación sustentable, no desarrollado a la fecha.
En su zona marina se practica, en temporada, la pesca deportiva y en el extremo sur, el paseo en kayak. También se realizan visitas y recorridos a las 5 haciendas ubicadas en su zona de influencia (Tankuché, San Nicolás, Santa Cruz, Chunkanán y San Antonio Sodzil).
Otras atracciones son la gastronomía, destacando la cochinita pibil que se disfruta en la cabecera municipal de Hecelchakán, la panadería tradicional en Pomuch, y la artesanía del jipi en Calkiní.
La Reserva se vincula como un corredor turístico y biológico con la Reserva de la Biosfera de Ría Celestún y, de forma natural en su extremo sur terrestre, con el centro histórico de la ciudad de San Francisco de Campeche, declarado Patrimonio Cultural de la Humanidad por la Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO), donde cabe destacar una diferencia en automóvil de solo 5 minutos con el extremo sur.
En el área existen vestigios arqueológicos de la Cultura Maya, identificándose al menos 15 vestigios arqueológicos de importancia; siendo el más importante el que se encuentra en la Isla Jaina, localizada en la parte costera norte de la Reserva a 42 km al norte de la ciudad de Campeche.
Otras áreas arqueológicas son Canbalam, El Cuyo, Holbach y Punta Arenas (consideradas comunidades pesqueras mayas), Boca de Chisahscab, Cojol, Islote Nisyuc, Nunchukun, Punta Lastre, Yaltón y Yukumbalam (considerados campamentos estacionales mayas).
Isla de Jaina es el mayor centro cívico-religioso maya costero, con una extensa arquitectura monumental y famosa por sus restos funerarios y figurillas humanas descubiertas, fue también un importante pueblo pesquero y centro comercial. Sus vestigios datan del 600, hasta el 1200 d.C. En está zona arqueológica se han registrado edificaciones para juegos de pelota, así como múltiples zonas de enterramiento con restos de cerámica, saqueados en el pasado. También llama la atención el descubrimiento de anzuelos fabricados de concha y botes hechos de troncos, que ponen en evidencia el aprovechamiento de los recursos por parte de los mayas.
Entre los objetos de uso cotidiano de la época precolombina, depositados frecuentemente en los entierros, están los adornos e implementos de concha y caracol.
Por su característica insular, esta fauna tenía fácil acceso a Jaina y entre las piezas recuperadas se encuentran hachuelas de Lobatus gigas, cascabeles de Oliva reticularis, cuencas y anillos.
La tala ilegal, el avance de la frontera agrícola y ganadera, así como una creciente infraestructura hotelera y turística en la península de Yucatán son las principales amenazas de la reserva, así como la pesca sin planeación, particularmente del pulpo.
En los últimos años, se ha registrado una mayor concentración de basura en los manglares de la zona sur (adyacente al límite noroeste de la ciudad de Campeche). Otras amenazas son la sobreexplotación de recursos, la fragmentación de hábitats, la alteración de la dinámica hidrológica por la construcción de infraestructura carretera inadecuada para sitios humedales, la extracción del agua de manantial para entubamiento, los incendios, la contaminación incipiente de las aguas costeras por la falta de un sistema integral de drenaje y la falta de tratamiento de aguas de desecho.
