Η “κλειστή θάλασσα” του Αμβρακικού Κόλπου, είναι αποτέλεσμα της έντονης τεκτονικής δραστηριότητας, που ξεκίνησε εδώ και 2 εκατομμύρια χρόνια. Το τεκτονικό βύθισμα που δημιουργήθηκε άρχισε να γεμίζει με τα νερά των ποταμών Άραχθου και Λούρου. Η βαθμιαία ανύψωση της θάλασσας είχε ως αποτέλεσμα να εισχωρήσει το Ιόνιο πέλαγος ανάμεσα από το Άκτιο και την Πρέβεζα και να πλημμυρίσει τον κόλπο δίνοντάς του την σημερινή του μορφή. Ο Αμβρακικός εισχωρεί σε μεγάλο τμήμα της ξηράς καταλαμβάνοντας μια έκταση 405 περίπου τετραγωνικών χιλιομέτρων.
Ο υδροβιότοπος, έκτασης 220.000 στρεμμάτων, που έχει δημιουργηθεί περιλαμβάνει μεγάλες και μικρές λιμνοθάλασσες, μακρόστενες χαμηλές λουρονησίδες που χωρίζουν τις λιμνοθάλασσες από την θάλασσα, παραποτάμιες ζώνες, εκβολές ποταμών, αλμυρόβαλτους και γλυκόβαλτους, απέραντους καλαμιώνες, υγρολίβαδα και αλίπεδα. Οι, τουλάχιστον, 20 λιμνοθάλασσες του Αμβρακικού, χωρίζονται από την θάλασσα με μια λουρονησίδα, δηλαδή μια μακρόστενη λωρίδα γης. Βλέποντας αυτές τις λουρονησίδες από μακριά, θαρρείς πως αποτελείται από άμμο. Όμως, η σύνθεση των περισσότερων αποτελείται από αμέτρητα κελύφη αχιβάδων.
Οι τρεις μεγαλύτερες λιμνοθάλασσες του Αμβρακικού, κάθε μια με τις δικές της ιδιαιτερότητες, είναι η "Λογαρού" με έκταση 25,75 τετ. χιλιόμετρα, το "Τσουκαλιό" με 16,5 τετ. χιλιόμετρα και η "Ροδιά" με 13,5 τετ. χιλιόμετρα. Ένα βασικό χαρακτηριστικό των λιμνοθαλασσών του Αμβρακικού είναι η μεγάλη τους βιολογική παραγωγικότητα, λειτουργούν, δηλαδή, σαν φυσικά εκτροφεία ψαριών και πολλών άλλων οργανισμών. Στα φυσικά ανοίγματα που υπάρχουν στις λουρονησίδες και τα οποία επιτρέπουν την επικοινωνία των λιμνοθαλασσών με τη θάλασσα, οι ψαράδες του Αμβρακικού έχουν εδώ και πολλά χρόνια εγκαταστήσει τα λεγόμενα "ιβάρια" ή "διβάρια". Είναι ειδικές κατασκευές με καλάμια, που, ενώ επιτρέπουν την ελεύθερη είσοδο ψαριών από τη θάλασσα, τα εμποδίζουν να επιστρέψουν, με αποτέλεσμα να παγιδεύονται.
Ο Αμβρακικός κόλπος αποτελεί τη μοναδική περιοχή στην Ελλάδα όπου πραγματοποιείται συστηματικά χρήση δορυφορικών πομπών σε χελώνες και ειδικών σημάτων (tag), για την κατανόηση των μετακινήσεων που πραγματοποιούν στο θαλάσσιο περιβάλλον μακριά από τις παραλίες που ωοτοκούν. Οι συχνοί τραυματισμοί χελωνών αποτέλεσαν το κίνητρο για την δημιουργία ενός Σταθμού Πρώτων Βοηθειών στην περιοχή, που στεγάζεται στο Κέντρο Περιβαλλοντικής Εκπαίδευσης Άραχθου, στην Κόπραινα Άρτας.
Το Κέντρο Περιβαλλοντικής Εκπαίδευσης Άραχθου ιδρύθηκε το 2003, με σκοπό την ευαισθητοποίηση και ενημέρωση των κατοίκων της περιοχής και των επισκεπτών όσον αφορά στην διατήρηση της χλωρίδας και της πανίδας της περιοχής.
Στον Αμβρακικό καταφεύγουν περισσότερα από 280 είδη πουλιών όπως ο κορμοράνος, το φοινικόπτερο, ο λευκοτσικνιάς, ο αγριόκυκνος, ο στικταετός, η χαλκόκοτα κ.α. Εμβλήματα του κόλπου τα δελφίνια και ο σπάνιος αργυροπελεκάνος με το κόκκινο ράμφος του, που κερδίζει τις εντυπώσεις. Είναι το μοναδικό είδος πελεκάνου που συναντάται όλο τον χρόνο στην περιοχή. Είναι πανάρχαιο είδος και το πιο μεγαλόσωμο είδος πελεκάνων που επιβιώνουν σήμερα στη γη. Το άνοιγμα των φτερών του φτάνει τα 3,2 μέτρα! Η διάσημη σιλουέτα του είναι εύκολα αναγνωρίσιμη, με το λευκό χρώμα και την κιτρινωπή ή πορτοκαλιά - κόκκινη σακούλα κάτω από το μακρύ του ράμφος. Μέχρι πριν λίγα χρόνια κινδύνευε να εξαφανιστεί από τον πλανήτη. Τα αυστηρά μέτρα προστασίας έφεραν αποτέλεσμα και στην Ελλάδα και οι πληθυσμοί του στον Αμβρακικό και στην Πρέσπα έχουν αυξηθεί. Ενώ λοιπόν στις αρχές της δεκαετίας του 1980 στον Αμβρακικό υπήρχαν λιγότερα από 20 ζευγάρια, σήμερα επιβιώνουν περίπου 80. Ο μεγαλύτερος κίνδυνος για τους πελεκάνους είναι οι άνθρωποι, ιδιαίτερα όταν πλησιάζουν τις αποικίες και μάλιστα σε περίοδο αναπαραγωγής. Τότε τα τρομαγμένα πουλιά αναγκάζονται να πετάξουν μακριά, με αποτέλεσμα να σπάνε τα αυγά στη φωλιά ή τα πελεκανάκια να πεθάνουν από αφυδάτωση και κρύο. Επιβάλλεται λοιπόν η σχολαστική τήρηση των όρων προστασίας του πανέμορφου αυτού πουλιού, που είναι το μεγαλύτερο υδρόβιο πουλί του κόσμου με πτητική ικανότητα.
Μεγάλοι είναι και οι πληθυσμοί των αμφίβιων, ερπετών, θηλαστικών και θαλάσσιων οργανισμών που συναντούνται στην περιοχή, όπως βίδρα, τσακάλι και θαλάσσια χελώνα.
Στην περιφέρεια του κόλπου, κάποιες λοφοπλαγιές καλύπτονται από δρυοδάση, ενώ υπάρχουν και παραποτάμια δάση, τα οποία, σε συνδυασμό με τα βοσκοτόπια και τις καλλιέργειες, δημιουργούν ένα τοπίο σπάνιας ομορφιάς.