Trước kia, khu bảo tồn này là thảm rừng ngập mặn ven biển với hệ sinh thái ngập mặn tự nhiên rất phong phú và đa dạng. Do sự bồi tụ tự nhiên mà thảm rừng này ngày càng xa biển và chỉ còn sót lại một phần tạo thành vườn chim như hiện nay.
Với hệ sinh thái rừng ngập mặn tự nhiên trên diện tích khoảng 385ha, trong đó có 19ha rừng nguyên sinh, khu bảo tồn có 104 loài thực vật thuộc 50 giống, 46 bộ. Tầng cao của rừng là Trà Là (chiếm 50%) , Giá (30%) còn lại là Cóc, Lâm Vồ. Thảm thực vật thấp là cỏ và các loài giây leo. Đây cũng là nơi cư trú của khoảng 46 loài chim, trong đó có nhiều loài quý hiếm như Giang Sen, Điên Điển, Cò Ruồi…; 109 loài thực vật thuộc 90 chi của 46 họ; 150 loài động vật, trong đó có 58 loài cá, 7 loài ếch nhái, 10 loài có vú, 8 loài bò sát và một số động vật khác.
Vườn chim Bạc Liêu là nơi làm tổ quan trọng của nhiều loài chim nước, điển hình là các loài le le, cò, diệc, vạc, còng cọc, quắm đen và nhiều loài khác. Các loài chim thường tụ tập nhiều vào mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 10. Chúng làm tổ trên cây đến khoảng tháng 1 rồi bay đi nơi khác và quay trở về đây vào tháng 5 hoặc tháng 6.
Vườn chim luôn tạo ra những bất ngờ sửng sốt cho du khách đến tham quan. Khi mới bước chân vào đây, du khách sẽ nhìn thấy ngay cảnh náo nhiệt của một sân chim tự nhiên. Những trứng chim nằm rải rác đó đây trên mặt đất như hòn cuội trắng. Thú vị nhất là đứng trên tháp canh cao bằng ngọn cây rồi mơ màng ngắm cảnh. Đó là lúc đàn chim đi ăn xa về tổ. Từ hướng biển Đông tím rịm sắc chiều, từ cánh đồng Bạc Liêu vàng rượm lúa chín... những đàn chim lũ lượt bay về tổ. Chúng bay thật trật tự, tách biệt giữa sắc lông và chủng loại. Có đội hình thì như mũi tên lao về phía trước, đội hình khác thì mang hình trái tim, lại có đội hình lưa thưa tản mạn. Màu trắng tinh kia là của nhóm cò Ngàng, màu đen như dầu hắc là của bọn Còng Cọc. Chúng quần đảo đen đặc trên ngọn cây như che kín bầu trời. Rừng bỗng dậy ào ào như có bão với đủ loại âm thanh: tiếng gió rít, tiếng cánh vỗ, tiếng cây lá rùng mình, tiếng chim mẹ gọi con.
Nếu có nhu cầu nghỉ đêm tại vườn chim, du khách sẽ có cơ hội thưởng thức bản hòa tấu réo rắt của thiên nhiên với tiếng rì rào của lá rừng, tiếng những loài chim ăn đêm đi kiếm mồi, tiếng xào xạc của gió chướng chớm mùa mơn man rừng chồi hay tiếng mưa thu rắc nhẹ trên cành lá. Tất cả hòa quyện thành tiếng rừng, thành hơi thở của thiên nhiên nghe êm ái và hiền dịu vô cùng. Sáng ra tỉnh dậy đã nghe tiếng chim hót líu lo trong nắng sớm quê hương, du khách sẽ thấy tâm hồn mình thật trong veo và thanh thản lạ thường.