L'observation ornithologique et la randonnée pédestre font partie des principales activités qui peuvent être pratiquées au cap Tourmente. En 2001-2002, un peu plus de 56 000 personnes l'ont visité.
Le Centre d'interprétation de la biodiversité du cap Tourmente présente une exposition et des projections sur l'histoire, la faune et la flore du site. Il s'agit aussi du point de départ de plusieurs sentiers et de certaines activités ainsi que d'un lieu de rencontre et d'informations avec des naturalistes et responsables du site.
Des naturalistes sont présents au Centre d'interprétation et sur différents points des sentiers afin d'offrir des activités d'interprétation sur divers sujets des sciences naturelles selon l'époque de l'année : les grandes oies blanches, le faucon pèlerin, les marées, hivernage des oiseaux, effet des saisons sur le site, etc.
Un second bâtiment, le pavillon Léon-Provancher sert de boutique de souvenirs et permet de prendre un goûter léger.
Plus de 25 kilomètres de sentiers aménagés permettent de parcourir les différents écosystèmes du parc. L’Écart et le Bois-sent-bon, en trottoirs de bois, permettent de s'approcher des berges du fleuve et d'observer les oies dans des caches munies de télescopes. Le Souchet, le Moqueur-chat et le Carouge parcourent les plaines et côtoient les étangs aménagés pour la sauvagine. Le Petit-Saut suit le cours du ruisseau homonyme. L’Érablière, l’Aulnaie, la Prucheraie, le Piedmont, la Cèdrière et le Pierrier explorent les différents peuplements forestiers. Finalement, la Falaise et la Cime permettent d'atteindre plusieurs points d'observation à flanc de falaise, donnant une vue sur le site, sur le fleuve, sur l'Île d'Orléans et sur les îles de l'archipel de Montmagny (comme Grosse-Île, l'Île aux Ruaux et l'Île aux Grues). En hiver, les visiteurs peuvent parcourir dix kilomètres de sentiers sur neige battue où sont installées des mangeoires pour les oiseaux.
Depuis 1972, en saison, une chasse contingentée et strictement réglementée à l'oie blanche est permise dans certaines zones du parc. Comme l'espèce est maintenant considérée en surabondance par les biologistes, l'objectif de cette chasse est de réguler le nombre d'individus afin d'assurer le renouvellement du marais à scirpe.
Les différents écosystèmes du site comportent chacun des peuplements de flore typique ; on retrouve sur le site environ 700 espèces différentes de plantes. La zone intertidale compte des populations importantes de scirpes d'Amérique (Scirpus americanus), de zizanies aquatiques (Zizania aquatica) et de sagittaires latifoliées (Sagittaria latifolia). Aussi, la présence de myriques baumiers, communément appelé Bois-sent-bon (Myrica gale), donne son nom à l'un des sentiers de randonnée de la réserve. Le marais compte enfin du solidage du Canada (Solidago canadensis), la salicaire (Lythrum salicaria), la vesce jargeau (Vicia cracca), la prêle littorale (Equisetum x litorale) et l'impatiente du Cap (Impatiens capensis). On rencontre dans les champs, peuplés de céréales, des saules, des cerisiers et des aulnes rugueux (Alnus incana rugosa).
Le site se trouve à la rencontre de deux régions forestières québécoises. On peut recenser dans l'érablière à bouleau jaune, plutôt présente dans les basse-terres laurentiennes, l'érable à sucre (Acer saccharum), le bouleau jaune (Betula alleghaniensis Britton), le bouleau à papier (Betula papyrifera), la pruche de l'Est (Tsuga canadensis), le hêtre à grandes feuilles (Fagus grandifolia), le thuya occidental (Thuja occidentalis), l'orme d'Amérique (Ulmus americana), le peuplier baumier (Populus trichocarpa), le frêne de Pennsylvanie (Fraxinus pennsylvanica), le frêne d'Amérique (Fraxinus americana), le peuplier faux-tremble (Populus tremuloides), le peuplier à grandes dents (Populus grandidentata) et le Chêne rouge (Quercus rubra). La falaise montre des caractéristiques de la sapinière, forêt de conifères plus septentrionale, où l'on rencontre l'épinette noire (Picea mariana), le sapin baumier (Abies balsamea), l'épinette rouge (Picea rubens) et le pin gris (Pinus banksiana).
Plusieurs espèces de mammifères peuvent être rencontrées à la réserve nationale de faune du cap Tourmente, typiques du territoire québécois. Les marécages côtiers abritent des visons et des rats musqués. En forêt, il est possible de rencontrer le raton laveur, le tamia rayé, le renard roux, l'ours noir, la marmotte commune, l'écureuil roux, le lièvre d'Amérique, le porc-épic d’Amérique et la belette à longue queue. Bien que plus rares, le coyote et le cerf de Virginie y sont aussi parfois croisés.
Le seul reptile rencontré avec régularité dans la réserve est la couleuvre rayée. Cependant, les terres humides que l'on y retrouve sont l'habitat de plusieurs amphibiens comme la rainette crucifère, la grenouille des bois, le crapaud d’Amérique, le ouaouaron, la grenouille verte, la grenouille léopard et la grenouille du Nord. Les boisés humides environnants abritent aussi des salamandres comme la salamandre à points bleus et la salamandre rayée.
Les petits ruisseaux des plaines sont fréquentés par l'omble de fontaine et l'épinoche, qui constitue l'alimentation de base pour de nombreux autres poissons et oiseaux. Perchaudes et meuniers noirs y vivent également.
Les décomptes ornithologiques sur la réserve ont permis de recenser 280 espèces d'oiseaux, dont environ cent espèces nidificatrices, ce qui constitue une grande richesse biologique sur un territoire restreint et le principal attrait du site.
Dans les marais nichent différentes espèces de canards barboteurs (comme le canard d'Amérique, le canard souchet et le canard branchu) ; le grand Héron et plusieurs autres espèces d'oiseaux de rivage s'y nourrissent également. Le marécage côtier est l'hôte de nombreuses espèces, dont la bécassine des marais, dix-huit espèces de parulines (dont la paruline masquée et la paruline flamboyante), le carouge à épaulettes, le bruant des marais et le colibri à gorge rubis. La plaine, quant à elle, est un territoire de chasse privilégié pour plusieurs rapaces : busard Saint-Martin, crécerelle d'Amérique, faucon pèlerin, etc. Enfin, pour ce qui est de la forêt, elle est le refuge de nombreux passereaux et autres représentants de la gent ailée : tangara écarlate, passerin indigo, viréo aux yeux rouges, mésange à tête noire, bruant hudsonien, grand corbeau, geai bleu, etc.
Plusieurs espèces rares sont rencontrées au cap Tourmente, dont le bruant de Nelson, la pie-grièche migratrice, l'effraie des clochers et le petit blongios.
La grande oie blanche (Chen caerulescens atlanticus), ou grande oie des neiges, une sous-espèce de l'oie des neiges, est la principale espèce animale qui a motivé la protection du territoire de la réserve nationale de faune du cap Tourmente. Au début du XXe siècle, cette espèce ne comptait pas plus de 3 000 individus. Or, les programmes de protection des territoires qu'elle fréquente lors de ses migrations ont permis d'accroître la population à 417 000 individus en 1993, puis à plus de 950 000 individus en 2004.
La grande oie blanche niche en été dans l'Arctique canadien puis établit ses quartiers d'hiver sur la côte est-américaine. Lors de ses deux migrations annuelles, l'ensemble de la population de la grande oie blanche fait halte pour se restaurer sur les berges du fleuve Saint-Laurent. À l'automne, la réserve nationale de faune du cap Tourmente peut à elle seule abriter au même moment des vols de plus de 75 000 individus.
La grande oie blanche y trouve une réserve de nourriture abondante, en particulier la racine du scirpe d'Amérique, une plante des marécages dont elle est particulièrement friande. D'ailleurs, la couleur rouille caractéristique de la tête et du cou de la grande oie blanche provient du fer oxydé du sol des berges du Saint-Laurent, dans lequel elle plonge sa tête pour retirer la racine.
Bien qu'une telle concentration d'oies ait aussi un effet négatif sur les terres cultivées environnantes qu'elles peuvent endommager, il a été démontré que l'apport économique des visites aux sites de préservation était plus de vingt fois supérieur aux frais encourus pour les dommages aux cultures. La grande oie blanche fait en effet l'objet de festivals courus, notamment dans la ville voisine de Saint-Joachim (le Festival de l'Oie des neiges), et sur la rive sud du fleuve, à Montmagny (le Festival de l'oie blanche).