Den lavvandede Stavns Fjord er karakteristisk ved de mange græs- og kratklædte holme. For at beskytte områdets naturværdier blev der i 1926 oprettet et vildtreservat i Stavns Fjord omfattende ca. 1.650 ha. I 1981 blev ca. 1.525 ha landarealer i og omkring fjorden naturfredet. Vildtreservatet og fredningen af søterritoriet omfatter efter en revision af ordningerne i 1999 Stavns Fjord med øer, holme og visse strandenge, øerne Bosserne og Lindholm samt søterritoriet i Ramsarområde nr. 14. Regler for jagt og færdsel i natur- og vildtreservatet fremgår af kortet på midtersiderne. I 1986 etablerede Århus Amt en naturskole samt en naturudstilling ved Langør. Her fås yderligere oplysninger om området.
Stavns Fjord
Stavns Fjord danner overgangen mellem Samsø´s nordlige og sydlige del.
Da stenalderhavet trængte ind over området, blev Samsø opdelt i to øer. Mellem disse lå et druknet morænelandskab, hvis bakketoppe dannede 11 mindre øer, omgivet af fladvand med en mængde små stenholme og stenstrøninger.
I dette øhav foregik der erosion og aflejring. Bølgeslag på de mest udsatte kyster dannede klinter, hvorfra nedbrydningsmaterialer af havstrømmen blev ført ud på tilstødende havbundsflader. Herved opbyggedes marine sandtanger og sandflader samt strandvoldssystemer og stedvis afspærringsforland. Ved disse processer og i forbindelse med senere landhævning blev de to øer forbundet af et lavt forland.
Besser Rev
Mod øst har materialevandringer langs kysten sammenkædet en række såkaldte barriereøer til et krumoddekompleks.
Mest udpræget ses dette i det 5 km lange Besser Rev, der udgår fra sydøen og danner en naturlig beskyttelse af den 20 km2 store Stavns Fjord. Fra nordøen udgår et tilsvarende oddesystem, Lilleøre, men af væsentlig mindre format.
Hjortholm, Mejlesholm og Yderste Holm. I baggrunden Besser Rev og Langør.
Øerne
Pollenanalyser af aflejringerne i fjorden har vist, at der i begyndelsen af yngre stenalder er sket gentagne og omfattende skovrydninger. Meget tyder på, at kreatur- og fåregræsning på holmene om sommeren er en tradition, der går helt tilbage til yngre stenalders begyndelse, det vil sige, fra man begyndte at holde husdyr.
Gennem fundet af en kølle, forarbejdet af rensdyrtak, og en fintandet lystertand til fiskeri vides det, at Samsø har været besøgt af mennesker i senglacial tid og tidlig skovtid. Den første kendte egentlige bebyggelse på Samsø er en række undersøgte bopladser fra Stavns Fjord-området, som kan dateres til ca. 4.000 år før vor tidsregning.
Flere af de inderste øer i Stavns Fjord samt strandengene omkring fjorden henligger som vedvarende græsningsarealer. Landet bagved strandengene består af landbrugsarealer, skov og plantage samt tidligere fjordarme, der nu er tørlagte, enten som følge af landhævning eller efter afvanding.
Kyholm, Vejrø og Lindholm, beliggende øst for Stavns Fjord, er ligeledes en del af det gamle stenalderlandskab. Øerne fremtræder med stejle skrænter, rev og stenet, marint forland. Ved Vejrø længst mod øst ligger Bosserne, et langstrakt, lavt sten- og sandrev.
Skarvkoloni på Kollerne i Stavns Fjord. Siden 1989 er ynglebestanden i fjorden steget til ca. 2.700 par.
Kanhavekanalen
Kanhavekanalen i den smalle landtange vest for Stavns Fjord er gravet i vikingetiden omkring 750 efter vor tidsregning og må betegnes som et efter datidens forhold fremragende ingeniørarbejde, der skabte sejlmulighed fra fjorden til Sælvig. I umiddelbar nærhed af kanalen ligger banken Kaneborg, hvor der er fundet bopladser fra stenalderen.
Skanser
Området rummer også andre interessante, historiske minder. Blandt andet kan nævnes et stort voldsted på Hjortholm, anlagt i middelalderen.
På øen Kyholm vidner skanser og bygningsrester om militære anlæg fra den store nordiske krig i begyndelsen af 1700-tallet og fra kampene mod englænderne 100 år senere. På øen er der desuden ruiner af huse, et kapel og rester af en kirkegård fra øens fortid som karantænestation i midten af 1800-tallet. Skanseanlæg fra Englandskrigen findes også på Besser Rev og på Lilleøre.
Plantelivet
Botanisk er Stavns Fjords centralt beliggende holme (Hjortholm, Karlskold, Mejlesholm, Yderste Holm og Kolderne) samt Besser Rev af stor interesse. Her findes en karakteristisk flora på overdrev, kystskrænter, strandenge og strandvolde (strandmalurt, hindebæger, kilebæger og kveller).
På flere af øerne forekommer et planteliv, som i Danmark næsten kun findes i det tørre kystområde langs det nordlige Storebælt og det sydlige Kattegat (blodrød storkenæb, knoldet mjødurt og gul evighedsblomst).