Η σύνθεση της πανίδας της Λέσβου εξαρτάται από οικολογικούς, γεωγραφικούς και ιστορικούς παράγοντες, αλλά και από την επίδραση του ανθρώπου, που στην περιοχή του Αιγαίου είναι πολύ μακρά και έντονη. Έτσι, η πανίδα του νησιού είναι εξίσου πλούσια με τη χλωρίδα, περιλαμβάνοντας είδη της Ανατολής και της Δύσης.
Από τα θηλαστικά ξεχωρίζει η παρουσία της γαλιάς, όπως αποκαλούν οι κάτοικοι του νησιού τον περσικό σκίουρο (Sciurus anomalus), για τον οποίο η Λέσβος αποτελεί το δυτικότερο όριο εξάπλωσης. Άλλα θηλαστικά του νησιού είναι η αλεπού (Vulpes vulpes), το πετροκούναβο (Martes foina), η νυφίτσα (Mustela nivalis), ο σκαντζόχοιρος (Erinaceus concolor), ο λαγός (Lepus europaeus), ενώ σε κάποιους υγρότοπους του νησιού ενδέχεται να ζουν ακόμα βίδρες.
Στη Λέσβο απαντώνται πέντε είδη αμφιβίων: τα πιο κοινά είδη είναι ο πράσινος φρύνος (Bufo viridis) και ο πράσινος βάτραχος (Rana ridibunda). Ο καφέ φρύνος (Bufo bufo) είναι σπάνιος, ενώ αξίζει να σημειωθεί η παρουσία του Πηλοβάτη (Pelobates syriacus), ενός είδους με μικρούς αριθμούς στην Ελλάδα.
Η ερπετοπανίδα είναι ιδιαίτερα πλούσια με είδη, όπως ποταμοχελώνες, βαλτοχελώνες, γραικοχελώνες, τυφλίτες, κροκοδειλάκια, σαμιαμίδια, κυρτοδάκτυλους, τρανόσαυρες, οφίσωπες, αβλέφαρους, έρυκες, τυφλίνους, έφιους, θαμνόφιδα, σαπίτες, νερόφιδα, λιμνόφιδα, σαΐτες, αγιόφιδα, σπιτόφιδα και οθωμανικές οχιές. Εδώ αντιπροσωπεύονται οι 11 από τις 13 οικογένειες ερπετών της Ελλάδας. Συνολικά έχουν καταγραφεί 21 είδη ερπετών, 3 είδη χελώνας, 7 είδη σαύρας και 11 είδη φιδιών.
Τα πουλιά είναι ένα σημαντικότατο, και σίγουρα το πιο δημοφιλές, κεφάλαιο της βιοποικιλότητας της Λέσβου. Οι υγρότοποι και οι λοιποί οικότοποι του νησιού αποτελούν χώρους διαβίωσης, διατροφής, φωλιάσματος και αναπαραγωγής για περισσότερα από 300 είδη πουλιών της Ευρωπαϊκής, Ασιατικής και Αφρικανικής ορνιθοπανίδας.
Περιστασιακά, εμφανίζονται πουλιά της Ευρώπης, που ενώ δεν πραγματοποιούν την τυπική μετανάστευση σε άλλες ηπείρους, καταφεύγουν στους υγροτόπους της Λέσβου για να ξεχειμωνιάσουν σε ιδιαίτερα δριμείς χειμώνες. Δεν είναι τυχαίο λοιπόν που τα τελευταία χρόνια η Λέσβος έχει αναδειχθεί σε έναν από τους δημοφιλέστερους προορισμούς για παρατήρηση πουλιών στη Μεσόγειο.
Στη Λέσβο μπορούν να παρατηρηθούν είδη πουλιών που προέρχονται από την Ευρώπη, την Ασία και την Αφρική. Κάποια είδη, όπως ο Πευκοτσοπανάκος και το Σμυρνοτσίχλονο, έχουν τα δυτικά όρια της παγκόσμιας εξάπλωσης τους στη Μικρά Ασία και μόνο στο νησί της Λέσβου από τον ευρωπαϊκό χώρο. . O Πευκοτσοπανάκος είναι σπάνιο είδος και βρίσκεται κυρίως στους πευκώνες, από τη θάλασσα μέχρι τις πιο ψηλές κορυφές του, στην περιοχή του Oλύμπου, της Aχλαδερής, του Aκρασίου. Το Σμυρνοτσίχλονο είναι πιο σπάνιο και μπορεί να το παρατηρήσει κανείς στην Eρεσσό, στο Απολιθωμένο Δάσος, στον Όλυμπο, στην Άγρα.
Άλλα σημαντικά είδη είναι: ο Μαυροπελαργός (Ciconia nigra) με λίγα ζευγάρια στο νησί. Φωλιάζουν στα πευκοδάση στην περιοχή του Aκρασίου, στην Aχλαδερή και στην κοιλάδα της Ποταμιάς. Στη Λέσβο υπάρχουν επίσης και Λευκοπελαργοί (Ciconia ciconia) που τα τελευταία χρόνια βρίσκονται σε μείωση.
Στις βραχονησίδες της Λέσβου φωλιάζει και αναπαράγεται ο Αιγαιόγλαρος (Larus auduini), είδος προτεραιότητας, παγκόσμια απειλούμενο, με ειδικές ρυθμίσεις για την προστασία των αποικιών του. Παρατηρούμε επίσης και τον Μαυροπετρίτη (Falco eleonorae) και το Κιρκινέζι (Falco naumanni), είδη παγκόσμια απειλούμενα με εξαιρετικά ανησυχητική πορεία.
H Kαστανόχηνα (Tadorna ferruginea), είδος σπάνιο στον Ελληνικό χώρο, φωλιάζει στην περιοχή της Aχλαδερής.
Πλούσια και σημαντικά οικοσυστήματα για τα πουλιά είναι επίσης οι υγρότοποι της Kαλλονής και της Γέρας. Στον Kόλπο της Kαλλονής, φωλιάζουν σπάνια υδρόβια πουλιά όπως: Φοινικόπτερα (ροζ φλαμίνγκο), ο Kαλαμοκανάς, η Aβοκέτα, η Πετροτριλίδα, ο Mικροτσικνιάς, η Aλκυόνη, το Nεροχελίδονο, ο Kαλαμόκιρκος, το Ποταμογλάρονο, το Nανογλάρονο κ.ά.
Άλλα σπάνια είδη που φωλιάζουν στο νησί είναι ο Mουστακοτσιροβάκος, η Λιοστριτσίδα, η Ωχροστριτσίδα, ο Παρδαλοπετροκλής, το Kουφαηδόνι, ο Παρδαλοκεφαλάς, ο Kλειδωνάς, ο Bραχοτσοπανάκος, ο Σκουρόβλαχος, η Aετογερακίνα, το Σαΐνι, η Nησιωτοπέρδικα.
Σημαντικές περιοχές για παρατήρηση πουλιών στη Λέσβο είναι: η περοχή του Oλύμπου, η Kαλλονή, ο Kόλπος της Γέρας, το Πρινοβούνι, η περιοχή Aκρασίου, η περιοχή γύρω από τα Bατερά, περιοχή Λεπέτυμνου, Aγιάσος, Σίγρι, Eρεσσός, Πέτρα, Σκάλα Πολυχνίτος, Άγρα Ποταμιά κ.ά.
Στη Λέσβο, έρευνες του Πανεπιστημίου Αιγαίου έχουν καταδείξει την παρουσία περισσότερων από 550 διαφορετικών ειδών μέλισσας, μερικά εκ των οποίων είναι είδη νέα στην επιστήμη. Ο κατάλογος αυτός αυξάνεται καθημερινά όσο συνεχίζονται οι έρευνες. Η εντυπωσιακή αυτή μελισσοποικιλότητα, σχετίζεται με την μεγάλη ποικιλότητα φυτών και ενδιαιτημάτων στη Λέσβο, και είναι εξαιρετικής σημασίας δεδομένου του νησιωτικού χαρακτήρα και της έκτασης της περιοχής.
Η Λέσβος αποτελεί σημαντικότατο κέντρο βιοποικιλότητας και για δύο άλλες ομάδες εντόμων, τις μύγες της οικογένειας Bombyliidae και της οικογένειας Syrphidae. Οι μύγες αυτές τρέφονται κυρίως με νέκταρ και γύρη και είναι σημαντικοί επικονιαστές. Έχουν καταγραφεί 65 διαφορετικά είδη βομβυλιίδων, ή μελισσομυγών, και 110 είδη συρφίδων ή μυγών των λουλουδιών .
Στη Λέσβο έχουν καταγραφεί επίσης 77 είδη πεταλούδας. Μια εντυπωσιακή ομάδα εντόμων με μεγάλο πλούτο ειδών στη Λέσβο είναι οι λιβελούλες (τάξη Odonata). Οι λιβελούλες ανήκουν στην πιο αρχαία οικογένεια εντόμων που πέταξαν στον αέρα, 300 εκατομμύρια χρόνια πριν, στην Λιθανθρακοφόρο περίοδο. Μέχρι σήμερα έχουν καταγραφεί στο νησί 45 διαφορετικά είδη.
