El parque está localizado en el Municipio de Isla Mujeres, Estado de Quintana Roo, se encuentra en el extremo poniente del Canal de Yucatán, en el límite del Golfo de México y el Mar Caribe. La isla tiene una superficie de 238 hectáreas, incluyendo sus lagunas interiores.

La isla es una antigua línea de costa de origen sedimentario y está compuesta por calizas plegadas de la plataforma yucateca. El área es tectónicamente inactiva, y está afectada por corrientes litorales permanentes, acción del oleaje, mareas y vientos dominantes del sureste, que van controlando los diferentes tipos de sedimentos calcáreos.

Presenta cinco ambientes mayores: complejo arrecifal; una playa de alta energía en mar abierto, un canal intercontinental; dunas litorales y lagunas restringidas. El medio terrestre es poco diverso, debido a la escasa superficie y a la carencia de relieve. Sin embargo, la diversidad de organismos acuáticos es alta por la confluencia del Caribe con el Golfo de México.