Le marais de Graye-sur-Mer est situé au bas d’un bassin versant de 10 km² qui lui garantit une hygrométrie relative en période estivale.

Les eaux de ruissellement approvisionnent la nappe phréatique de septembre à juin et permettent de créer des zones inondées correspondant aux exigences de l’avifaune sédentaire et migratrice. L’absence d’exutoires vers la mer a donné naissance au marais grâce à une accumulation des eaux entre le coteau et la mer.
Jadis, marais majoritairement à roselières (Roseau phragmites – Phragmites australis – ), cet espace se referme peu à peu, envahi par les ligneux (Saules). L’activité traditionnelle de chasse au gabion est encore présente sur quelques parcelles appartenant à des propriétaires privés.

Par sa localisation géographique sur les voies côtières de migration, le marais de Graye-sur-Mer représente un refuge pour les oiseaux voyageurs en quête de zones de repos.

La richesse ornithologique est un des points forts du marais. À ce jour, l’inventaire ornithologique, réalisé par l’agent chargé de la gestion, fait état de plus de 100 espèces d’oiseaux fréquentant annuellement le site.

Le Butor étoilé est un hivernant régulier sur le marais où il trouve roselières et mares à son goût. Le Phragmite des joncs, le Chevalier guignette sont facilement observables durant la période estivale.

Les migrations printanières et automnales amènent leur lot de surprises comme la Grande aigrette, le Faucon pèlerin ou encore la Cigogne noire qui, cette dernière, se repose sur les mares les plus calmes. Les nombreuses saulaies abritent des pouillots, des mésanges et autres passereaux des arbustes.

Un peu de patience, un soupçon de chance et beaucoup de silence vous permettront peut-être de voir selon la saison deux espèces de Bécassine : la Bécassine des marais et la Bécassine sourde. Cette dernière ne décolle qu’en cas d’extrême urgence misant alors sa survie sur son fabuleux camouflage.

Ce biotope humide n’attire pas que les oiseaux. Les libellules, insectes intimement liés au milieu aquatique, sont nombreuses autour des points d’eau. Plus de 20 espèces sont recensées parmi lesquelles le rare Sympetrum à nervures rouges (S. foscolombii).

L’hydromorphie (sols gorgés d’eau), l’influence de la salinité et la nature calcaire du substrat ont engendré la présence de neuf habitats d’intérêt communautaire (Directive Habitats).

Les néophytes aussi bien que les botanistes avertis, sauront contempler avec émerveillement les 10 espèces de plantes à fort intérêt patrimonial reparties sur le site.

La Grande douve (Ranunculus lingua), joyau du marais, protégée au niveau national, s’offre aux curieux au cœur des roselières et sous-bois marécageux.

Le milieu aquatique renferme également des richesses : le Potamot coloré (Potamogeton coloratus), protégé en Basse-Normandie, occupe les mares aux côtés de l’Utriculaire commune (Utricularia vulgaris – plante carnivore) considérée comme très rare dans la région.