Η πρώτη περιοχή είναι ο Κόλπος της Καλλονής, ο οποίος περιλαμβάνει όλο τον θαλάσσιο χώρο του Κόλπου, καθώς και μεγάλο αριθμό χερσαίων υγροτόπων (αλυκές Καλλονής και Πολιχνίτου, χείμαρροι Τσικνιάς, Βούβαρης, Μυλοπόταμος, Εννιά Καμάρες, Ποταμιά, λιμνοθάλασσα των Μέσσων, κ.ά.). Η περιοχή έκτασης 18.311,18 ha,  περιλαμβάνει ευαίσθητα οικοσυστήματα (στάσιμα νερά, ποταμοί, εκβολές, λασπώδεις ή αμμώδεις λιμνοθάλασσες, θαλάσσιες περιοχές, αλατούχες στέπες κ.ά). Στην περιοχή φωλιάζουν ή διέρχονται είδη πτηνών που είναι απειλούμενα και/ή μη συνήθη για την Ελλάδα όσο και για την Ευρώπη. Ενδεικτικά αναφέρουμε τα: φαλαρίδες, αβοκέτες, πετροτριδίλες, καστανόχηνες, λευκοπελαργοί, ροζ φλαμίγκος, θαλασσοκόρακες κ.ά. Σημαντική είναι και η βλάστηση με την  παρουσία του δάσους της Τραχείας Πεύκης και τα πολυάριθμα βούρλα και τις αρμυρήθρες που περιβάλουν τους υγροτόπους και τον κόλπο.

Η δεύτερη περιοχή είναι ο Κόλπος της Γέρας, κατά μήκος των ακτών του οποίου υπάρχουν μικρά αλμυρά έλη ή αλίπεδα (Ντίπι – Λάρσος, Ευρειακή, Χαραμίδα). Στη δυτική του πλευρά υψώνεται το όρος Όλυμπος με ύψος 968 μ. που καλύπτεται κυρίως από δάση καστανιάς και πευκοδάσος Τραχείας Πεύκης, εκτός από τη γυμνή ασβεστολιθική του κορυφή. Τα πολύ ιδιαίτερα ενδιαιτήματα των περιοχών αυτών σε πανίδα, είναι μεταξύ των άλλων: πορφυροτσικνιάς, λευκοπελαργός, μουστακοτσιροβάκος και καστανόχηνα (πτηνά), νερόφιδο το Περσικό, κοινό νερόφιδο, τα δύο είδη ποταμοχελώνας (αμφίβια ερπετά), άρχων ο Απολλώνιος (ασπόνδυλα), σκίουρος της Λέσβου, τρανομυωτίδα, ρινόλοφος του Μπλάζιους, ακόμη και οι τελευταίες ενυδρίδες (θηλαστικά) κ.ά. Η χλωρίδα είναι επίσης αξιολογότατη και παρουσιάζει πλούσιο βοτανικό ενδιαφέρον, με το προστατευόμενο ενδημικό είδος Alyssum lesbiacum, τις ορχιδέες, τις καλαμιές, το ψαθί, τις ιτιές, τους μελιούς και τα καραγάτσια (φτελιές) κ.ά.

Η τρίτη περιοχή είναι η Δυτική χερσόνησος του νησιού που περιλαμβάνει και το Απολιθωμένο δάσος στο Σίγρι. Εδώ συναντώνται τα σπάνια για τον Ευρωπαϊκό χώρο πουλιά, όπως: ο Τουρκοτσοπανάκος Sitta krueperi, το Σμυρνοτσίχλονο Emberiza cineracea, ο Μουστακοτσιροβάκος Sylvia rueppelli κ.ά. Το Απολιθωμένο δάσος βρίσκεται στο Βορειοδυτικό άκρο του νησιού, κοντά στο χωριό Σίγρι. Πρόκειται για μια γυμνή, άδενδρη περιοχή, μέσα στην οποία διακρίνονται διάσπαρτοι απολιθωμένοι κορμοί ή τμήματα κορμών, από ένα δάσος που υπήρχε εκεί πριν από εκατομμύρια χρόνια. Τα απολιθωμένα είδη φυτών που βρίσκονται εδώ ανήκουν στην χλωρίδα του Καινοφυτικού αιώνα (αντίστοιχο του Καινοζωικού) και είναι διάφορα είδη Γυμνόσπερμων και Αγγειόσπερμων. Έχουν μέχρι στιγμής προσδιοριστεί περισσότερα από σαράντα είδη. Ορισμένα από τα απολιθωμένα είδη είναι φυτά που προτιμούν ήπιες θερμοκρασίες, και από φυτογεωγραφικής πλευράς είναι υποτροπικά, με συγγενή γένη στα δάση της νοτιοανατολικής Ασίας, όπως π.χ. μεγάλος αριθμός ειδών της οικογένειας Lauraceae (Laurus, Cinnamomum κ.λ.π.) Μια άλλη ομάδα είναι φυτά που προτιμούν ηπειρωτικό κλίμα και ανήκουν στα γένη Alnus, Carpinus, Populus, Quercus, Pinus, Sequoia κ.λ.π.

Από τη μελέτη πολλών δειγμάτων φαίνεται ότι οι περισσότεροι κορμοί ανήκουν σε κωνοφόρα της οικογένειας Taxodiaceae και κατά πάσα πιθανότητα στο γένος Sequoia.

Εκτός βέβαια από τα χερσαία οικοσυστήματα, σημαντικά είναι και τα θαλάσσια όπως το θαλάσσιο  τμήμα που περιβάλλει την βραχονησίδα Νησιώπη, με τους δεκάδες απολιθωμένους κορμούς δένδρων, κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας.

Η περιοχή αλληλεπικαλύπτεται σε ένα μέρος με την Ειδική Ζώνη Διατήρησης του Κόλπου Καλλονής, ενώ επεκτείνεται στους υγροτόπους Εννιά Καμάρες και στον ποταμό Τσικνιά. Επίσης  στην έκταση του περιλαμβάνονται οι υγρότοποι  στο βόρειο και δυτικό τμήμα του κόλπου, όπου σημαντική είναι η παραμονή σπάνιων και απειλούμενων πτηνών.

Η Ειδική Ζώνη Διατήρησης των Νησίδων Λέσβου περιλαμβάνει το Σύμπλεγμα των Τομαρονήσιων, τον Κύδωνα, το Γλαρονήσι, τον Αγ. Γεώργιο κλπ., οι οποίες βρίσκονται στο ανατολικό και στο βορειοδυτικό τμήμα του νησιού, με σημαντική καταγραφή πουλιών όπως του Αιγαιόγλαρου παγκόσμιου απειλούμενου είδους, ο Μαυροπετρίτης και το Κιρκινέζι, Γερακίνες κ.α.

Η περιοχή αλληλεπικαλύπτεται σε μεγάλο μέρος με την Ειδική Ζώνη Διατήρησης της Δυτικής Χερσονήσου Λέσβου- Απολιθωμένο Δάσος Λέσβου, και χαρακτηρίζεται από αξιόλογη παρουσία αναπαραγώμενων πουλιών όπως Αετογερακίνα, Μαυροπελαργός, Κιρκινέζι κ.α. Η ύπαρξη μικρών υγροτόπων  στην ευρύτερη περιοχή της Δυτικής Χερσονήσου προσδίδει την οικολογική αξία, μιας και αποτελούν σταθμό τροφοδοσίας και ανάπαυσης για τα πτηνά.

Η περιοχή αλληλεπικαλύπτεται σε μερικά μέρη με τις Ειδικές Ζώνες Διατήρησης του «Κόλπου Καλλονής και Χερσαία Παράκτια Οικοσυστήματα» και «Κόλπος Γέρας, έλος Ντίπι & Όρος Όλυμπος». Εκτός από την πλούσια χλωρίδα του Ολύμπου, αποτελεί μια ενδιαφέρουσα περιοχή τόσο ως προς τον αριθμό αλλά και της παρουσίας σπάνιων και ενδημικών πουλιών. Είναι σημαντική περιοχή τόσο για την επιβίωση όσο και  για την αναπαραγωγή των αρπακτικών πτηνών.

Καταλαμβάνει το Βόρειο τμήμα του νησιού και έχει έκταση 9.347,95 ha. Διαχωρίζεται σε δύο τμήματα: το δυτικό τμήμα εκτείνεται στα δυτικά από την Μήθυμνα στην Πέτρα, προς το όρος Λεπέτυμνος και τελειώνει ανατολικά στο ακρωτήριο του Κόρακα Μανταμάδου και το ανατολικό τμήμα περιλαμβάνει την περιοχή του Αγίου Στέφανου – Παλιού – Σαρακήνα της Δ.Ε. Μανταμάδου καθώς και την Νησίδα Μονόπετρα. Η ποικιλία ενδιαιτημάτων των δασικών εκτάσεων και οι μικροί υγρότοποι που λειτουργούν ως σταθμοί τροφοδοσίας και ανάπαυσης των πουλιών  συνέβαλαν στον χαρακτηρισμό της περιοχής ως ΖΕΠ.