E tudo começou com a sua formação geológica. O Porto Santo terá crescido como um vulcão-escudo submarino entre o Miocénico inferior e o Miocénico médio (18Ma – 13,5Ma), com escoadas de basaltos, hialoclastitos e palagonitos onde se intercalam lentículas de conglomerados e tufitos, bem como formações calcárias fossilíferas do Miocénico. As últimas erupções terão ocorrido há 10,2Ma. A atividade vulcânica posterior está apenas representada por rochas filonianas básicas, com cerca de 8,3Ma, não se encontrando preservadas extrusões correlativas. As formações mais recentes correspondem a depósitos sedimentares de idade quaternária, tais como paleossolos silto-argilosos, crostas calcárias, eolianitos calcareníticos, depósitos de praia, fluviais e de vertente. Destes merecem destaque os eolianitos que ocorrem na região centro-oeste da ilha e cobrem cerca de 1/3 da superfície.

Em tempos longínquos, à ilha foram chegando diásporas provenientes dos continentes mais próximos, bem como de ilhas e ilhotas vizinhas, arrastadas pelos ventos e correntes marítimas, na generalidade transportadas por aves e insetos. Numa primeira fase a ilha terá sido colonizada por espécies pioneiras de líquenes e briófitos. O desenvolvimento das comunidades pioneiras terá conduzido à criação de condições de modo ao território albergar comunidades de plantas mais complexas, plantas vasculares, algumas produtoras de esporos, outras de sementes e flores, bem como de animais invertebrados e vertebrados. E desde então e ao longo de milhões de anos a evolução vem acontecendo.

Na Ilha do Porto Santo e ilhéus circundantes existem ecossistemas terrestres, costeiros e marinhos característicos da Região Biogeográfica da Macaronésia. No ambiente terrestre merecem destaque os testemunhos da flora e fauna de florestas que predominaram na Europa no Terciário. No ambiente costeiro e marinho são de realçar os fósseis que testemunham um período recifal também precursor da formação de dunas.

A biodiversidade terrestre distribui-se por vários ecossistemas, desde o nível do mar até às zonas de maior altitude, na ilha e nos ilhéus, dos ambientes mais naturais até às zonas humanizadas, onde se incluem os sistemas agroflorestais com os típicos muros de croché, muros e muretes de pedra emparelhada, terraços ou poios, canais de irrigação, a que acrescem obras de correção torrencial e represas. Nesta diversidade biológica estão identificados 396 táxones endémicos (310 espécies, 84 subespécies e duas variedades), o equivalente a 24% do total, o que representa uma elevada taxa de endemismos.

Quanto à diversidade biológica do meio marinho, contempla 453 táxones, com oito táxones endémicos da Macaronésia.