La zone marine protégée de Capo Carbonara, établie en 1998, englobe 86 kilomètres carrés de littoral où les promontoires de granit plongent dans des eaux abritant des prairies de Posidonie plus anciennes que la plupart des villes européennes. Villasimius se situe au seuil oriental de cette réserve, un village de pêcheurs devenu la porte d'entrée d'un littoral que le ministère italien de l'Environnement classe parmi les douze plus riches en biodiversité de la Méditerranée. La zone protégée s'étend de Punta Molentis au nord à Capo Boi au sud, entourant l'île inhabitée de Serpentara et son phare du XIXe siècle, toujours en service sous contrôle automatisé depuis 1989. La création de la réserve a fait suite à des décennies d'ancrage et de chalutage non réglementés qui ont dépouillé les herbiers marins du sud de la Sardaigne. Aujourd'hui, les eaux de la zone A, couvrant environ 30 % de la zone protégée, interdisent tout trafic motorisé à l'exception des navires de recherche autorisés et des opérateurs touristiques autorisés qui doivent maintenir des limitations de vitesse inférieures à cinq nœuds et ne jeter l'ancre que dans des couloirs sablonneux désignés. La récupération a été mesurable : les populations de mérous ont augmenté de 240 % entre 2002 et 2019, et les tortues caouannes nichent désormais chaque été sur trois plages de la réserve, un comportement absent de ce littoral pendant la majeure partie du XXe siècle. L'accès par bateau fonctionne selon un système de quotas géré par le Consorzio di Gestione, l'entité qui supervise tout le trafic maritime commercial. Les opérateurs reçoivent des permis saisonniers limités à 18 navires par jour en juillet et août, avec des départs concentrés au Porto Turistico di Villasimius, une marina construite en 2004 avec 300 places et des installations de ravitaillement conformes aux normes de pollution marine de l'UE. Le système de quotas, controversé lors de son introduction en 2011, a maintenu la pression des visiteurs en dessous du seuil identifié dans l'étude de capacité de charge de la réserve de 2015, qui fixait un maximum de 450 visiteurs quotidiens pour tous les types d'excursions afin d'éviter les dommages aux herbiers marins causés par les ancres. La plupart des opérateurs suivent un itinéraire sud-est : départ de la marina, passage lent le long des falaises de granit de Capo Carbonara où nichent les faucons pèlerins au printemps, puis mouillage à Cala Caterina ou Punta Molentis pour faire de la plongée avec tuba au-dessus des herbiers de Posidonie qui brillent d'un vert ambré sous le soleil de midi. L'île de Serpentara se trouve à 1,8 mille marin au large, accessible uniquement aux bateaux autorisés ; sa crique ouest offre l'eau la plus claire de la réserve, avec une visibilité dépassant souvent 25 mètres par temps calme. Le retour comprend généralement une dérive devant l'Isola dei Cavoli, un deuxième îlot inhabité où les faucons d'Éléonore migrent chaque automne, et où se dresse encore une tour de guet espagnole construite en 1591, ses blocs de calcaire teintés d'orange par des siècles de lichen. La météo façonne la saison : le vent de maestrale, soufflant du nord-ouest, peut immobiliser les bateaux au port pendant des jours en mai et octobre. La plupart des skippers privilégient juin et septembre, lorsque la mer s'aplanit et que la température de l'eau se maintient entre 22 et 24 degrés Celsius, assez chaude pour une plongée avec tuba prolongée sans combinaison. Août apporte les conditions les plus calmes mais aussi la plus forte demande, et la réservation à l'avance devient nécessaire car les permis quotidiens sont complets des semaines à l'avance.