L'ambiente naturale che caratterizza i fondali dell' AMP è unico nella sua estrema varietà di microhabitat, che sono il risultato dell'interazione di processi naturali (bradisismo, erosione marina, emissioni da vulcanesimo secondario) ed attività antropica (costruzione di edifici, moli e peschiere).
Ai costoni rocciosi di tufo giallo lungo il litorale seguono fondali sabbiosi e detritici che si alternano alle strutture archeologiche sommerse, le quali rappresentano Il substrato di impianto per organismi sia fotofili (amanti della luce) che sciafili (amanti dell’ombra). In genere sulla sommità ben illuminata del resti sommersi si osserva un popolamento dominato da organismi vegetati, come alghe verdi e brune, mentre lungo le pareti poco illuminate si insedia un popolamento costituito da specie non concrezionanti, come alghe rosse, briozoi, serpulidi e spugne policrome.
Tra le strutture sommerse, inoltre, trovano riparo polpi e numerosi pesci di scoglio, come labridi e sparidi.
Sui fondi molli è possibile osservare esemplari di Pinna nobllis, il più grande bivalve mediterraneo e specie attualmente protetta, e popolazioni di tartufi di mare (Venus verrucosa), specie edule particolarmente apprezzata, la cui pesca può arrecare seri danni ai reperti archeologici.
Un ambiente di notevole rilevanza naturalistica è la Secca delle Fumose, situata nella zona C del Parco sommerso di fronte al lago Lucrino, costituita da una serie di piloni (pilae) che raggiungono quasi la superficie del mare; nella parte inferiore delle pile, in alcuni punti, vi sono esalazioni sulfuree che rendono l'acqua particolarmente calda e consentono la sopravvivenza di solfobatteri alla base di una catena alimentare molto peculiare.
Entrando nel dettaglio, nel Parco sommerso esistono varie associazione biologiche di specie diverse di piante o animali (biocenosi)che vivono in reciproca relazione con i diversi habitat marini presenti.
La biocenosi delle alghe infralitorali si osserva sul molo artificiale dell’ex lido Augusto (presso la zona B del Portus Julius), mentre una forte interdigitazione tra popolamenti fotofili è presente sui vicini manufatti romani, insediandosi sulle parti più esposte alla luce con invece popolamenti sciafili, osservabili nelle cavità e sulle pareti più ombreggiate.
La biocenosi delle sabbie fangose superficiali in ambiente riparato caratterizza i fondi molli, che costituiscono l'habitat complessivamente più esteso deI Parco sommerso: la presenza di questa biocenosi, addirittura fino ad una profondità di circa 15 m, è attribuibile alla conformazione della stessa baia di Pozzuoli, che si presenta come un'insenatura riparata dal moto ondoso all'interno del più ampio Golfo di Napoli. In prossimità delle strutture sommerse questa biocenosi si arricchisce di frammenti provenienti dalla disgregazione dei manufatti e dagli esoscheletri carbonatici di organismi incrostanti.
Le coperture vegetali su fondo molle sono costituite prevalentemente da prati di Caulerpa prolifera mista a Caulerpa racemosa. In alcune zone, come nel porto di Baia, i caulerpeti si insediano anche sulla parte sommitale del manufatti romani sommersi, accompagnati da popolamenti ad alghe fotofile, per lo più filamentose.
Complessivamente sono presenti tre caulerpeti di vasta estensione, di cui uno nel porto di Baia, tra 3 m e 12 m di profondità, e gli altri due nella zona antistante Lago lucrino, tra 7 m e 11 m di profondità. Praterie e semipraterie di Cymodocea nodosa si osservano laddove l'idrodinamismo è maggiore. Un'estesa prateria di Cymodocea nodosa è presente nella zona antistante il lago Lucrino, tra 3 m e 7 m di profondità. Ciuffi Isolati di Posidonia oceanica sono stati rilevati in alcune zone, come di fronte Punta Epitaffio e allargo di Lago Lucrino.