位于广东湛江雷州市西部海域，即国家一级渔港企水港和国家级中心渔港乌石港之间，地理坐标介于东经109°31′~109°48′，北纬20°32′~20°44′之间，总面积46864.67公顷，其中，核心区面积18527公顷，缓冲区面积13664公顷，实验区面积14673.67公顷。

广东雷州珍稀海洋生物国家级自然保护区记录的各类水生动物物种总数为601种，分别列入7门、18纲、57目、209科，其中，鱼类247种，软体动物206种，节肢动物79种。包括儒艮、中华白海豚、大珠母贝（白蝶贝）、文昌鱼、绿海龟、棱皮龟、玳瑁、江豚、宽吻海豚、热带点斑原海豚、真海豚、灰海豚、斑海豹、布氏鲸等国家Ⅰ、Ⅱ级重点保护动物。在区内记录的物种中，有6种被列入CITES公约附录Ⅰ，20种被列入CITES公约附录Ⅱ；有近40种被列入中国濒危物种红皮书和IUCN红皮书中的极危、濒危、易危物种名录。

广东雷州珍稀海洋生物国家级自然保护区海底的气孔状构造玄武岩十分适合贝类的附着生长，保护区海域分布着丰富的珍珠贝类和经济贝类，是中国南珠的发源地之一。保护区海域的珍珠贝类有8种，其中，大珠母贝（白蝶贝）、珠母贝（黑蝶贝）、马氏珠母贝、长耳珠母贝、企鹅珍珠贝是重要的珠母贝资源，特别是白蝶贝所产的白珍珠和黑蝶贝所产的黑珍珠是国际珠宝市场上最名贵的珍珠。

广东雷州珍稀海洋生物国家级自然保护区砂砾海底与成片的珊瑚礁、海藻场等，为许多鱼类提供了栖息环境，是鱼类的重要繁殖、生活场所。鱼类超过200种，初步评价出可列为主要种质资源的有20种左右，主要为石斑鱼类、鲷鱼类等名贵鱼类或经济类。