Η Κεφαλονιά ισορροπεί στην ακμή της ευρωπαϊκής λιθοσφαιρικής πλάκας, με αποτέλεσμα στα δυτικά της να βρίσκονται μερικά από τα βαθύτερα νερά της Μεσογείου ενώ στα ανατολικά υπάρχει μια προστατευμένη, ρηχή θάλασσα που εκτείνεται από τον Πατραϊκό κόλπο μέχρι το δέλτα του ποταμού Αχελώου και τα νησιά του αρχιπέλαγους των Εχινάδων. Η βιοποικιλότητα σε αυτό το περιβάλλον είναι τόσο μεγάλη και σημαντική που το μεγαλύτερο μέρος των ακτών της Κεφαλονιάς προστατεύεται από το δίκτυο Natura 2000.

Εκτός από τα ψάρια και την υδρόβια ζωή που αντιπροσωπεύει τα περισσότερα μεσογειακά οικοσυστήματα, η Κεφαλονιά φιλοξενεί την απειλούμενη με εξαφάνιση φώκια Monachus monachus, τη θαλάσσια χελώνα Carreta carreta (με τη Σκάλα και τον Κατελειό μεταξύ των πιο σημαντικών ακτών εκκόλαψης), αλλά και δελφίνια (Deplhinus delfis), ερυθρούς τόνους  (Thunnus thynnus), σαλάχια  (Mobula mobular), ενώ οι γκρίζες φάλαινες (Balaenoptera physalus) και οι φυσητήρες Physeter macrocephalus είναι συχνοί επισκέπτες.