Itämeren eläimet ovat yhtälailla harvalukuisia kuin kasvitkin. Meressä elävät eläimet ovat kalojen lisäksi pääasiassa pienikokoisia äyriäisiä, simpukoita tai madonkaltaisia eliöitä. Eläinten pienikokoisuus johtuu vaativista luonnon olosuhteista. Pääosa eläimistä ovat joko järvien tai merien lajeja.
Itämerestä on tavattu noin 1900 selkärangatonta eläinlajia. Vaikka se saattaa kuulostaa paljolta, valtamerien mittakaavassa se on vähän.
Harvakseltaan Itämerellä tavataan myös hylkeitä ja pyöriäisiä. Hyljelajeja tavataan kolmea erilaista: Harmaahylje, norppa ja kirjohylje. Suurvalaita ei esiinny lainkaan Itämerellä. Ainoa vakituinen valaslaji on pyöriäinen.
Harmaahylje tai halli esiintyy pääasiassa pohjoisella Itämerellä. Harmaahylkeet ovat laumaeläimiä. Kesäisin niitä voi nähdä ulkoluodoilla ja talvisin ajojäällä avoveden tuntumassa. Poikaset syntyvät jäälle lopputalvella. Hallit syövät erilaisia kaloja, enimmäkseen turskia ja silakoita. Liikakalastus on konkreettinen uhka hallien, norppien ja kirjohylkeiden selviytymiselle. Paitsi että ravinnon saanti vaaraantuu, poikaset voivat jäädä kiinni verkkoihin.
Norppa elää pohjoisessa kuten hallikin, ainoastaan sellaisilla alueilla jossa on jäätä. Halleista poiketen ne eivät kuitenkaan elä laumoissa. Norpat syövät myös pääasiassa kalaa.
Kirjohyljettä esiintyy kaikilla pohjoisilla alueilla. Kirjohylkeet elävät joko yksin tai pienissä laumoissa. Ne syövät lähinnä pohjakaloja, joskus myös äyriäisiä ja simpukoita.
Pyöriäisiä esiintyy lähinnä Etelä-Itämerellä. Pyöriäiset elävät rannikkovesissä. Ne viihtyvät yleensä pareittain tai pienissä laumoissa. Pyöriäisen ruokavalioon kuuluu kalojen lisäksi kalmarit. Pyöriäinen on luokiteltu äärimmäisen uhanalaiseksi.
Myös Linnut ovat tärkeä osa Itämeren eläimistöä. Muutamia poikkeuksia lukuunottamatta saaristossa ja merellä elävät linnut ovat menestyksekkäästi lisääntyneet ja levinneet laajemmalle alueelle viimeisten vuosikymmenten aikana. Huomattavaa on ollut suurikokoisten lajien kuten kyhmyjoutsenen, merimetson merihanhen, valkoposkihanhen ja merikotkan voimakas lisääntyminen. Merikotka on edelleen luokiteltu uhanalaiseksi, mutta niiden kanta on elpymässä.
Itämeren eläimistö on erityisen herkkä ympäristön muutoksille johtuen ainutlaatuisista elinolosuhteista. Käytännössä monet eläimet elävät tälläkin hetkellä selviytymisen äärirajoilla Itämeressä. Mikäli Itämeren suojelu ei onnistu, liian monien eläinten kohtalona on sukupuuttoon kuoleminen.