Debido a la condensación de la brisa costera (camanchaca) la vegetación crece opuesta al viento en los cerros cercanos a la costa y forma bosques hidrófilos como aquellos que se encuentran en el sur de Chile, 800 kilómetros al sur y conocidos como los bosques valdivianos, densamente poblados con árboles de olivillos, helechos y canelos, además de arrayanes. En contraste, en las partes semi áridas se encuentran una docena de variedades de cactus y arbustos como copaos, guayacanes y  alcaparras. El Parque cubre 9.559 hectáreas y una variedad de ecosistemas. El parque es un hábitat para codornices, águilas, halcones, lechuzas, conejos y zorros. Hasta el gato montés, el puma y el guanaco son encontrados en estos protegidos cerros. A lo largo de la costa debido a su relativa protección se pueden encontrar lobos marinos y nutrias, el estuario del Limarí es un lugar de estadía y descanso de aves migratorias. La diversidad de contrastes de flora, fauna y ecosistemas encontrados en este parque nacional es un hermoso microcosmos representativo de la Región de Coquimbo. Es único, por lo que fue declarado Reserva Mundial de la Biosfera en 1977.