Bogat i zanimljiv životinjski svijet Nacionalnog parka Mljet još nije u potpunosti istražen. Jedna od osobitosti otoka su tipična krška podzemna staništa: polušpilje, špilje i jame, s endemskom faunom beskralješnjaka od kojih su neki svoje znanstveno ime dobili upravo po Mljetu, gdje su prvi put pronađeni. To su primjerice: Strouhaloniscus meledensis, Pergamasus meledensis, Otiorrhynchus meledanus i Meledella werneri.
Dosad je na otoku zabilježeno ukupno pet vrsta zmija i četiri vrste guštera. Od guštera česti su oštroglava gušterica (Dalmatolacerta oxycephala), krška gušterica (Podarcis melisellensis) i kućni macaklin (Hemidactylus turcicus). Zmije su na otoku prorijeđene kao posljedica unošenja indijskog mungosa (Herpestes javanicus auropunctatus) 1910. godine.
Oštroglava gušterica (Dalmatolacerta oxycephala) ima olovnoplavu gornju stranu tijela, u raznim nijansama, prošaranu mrežom crnih pruga. Donja strana je jednobojno plavo-siva, u području grla je sasvim plava. Naseljava gola i kamenita mjesta, gdje se skriva po pukotinama i pod kamenjem. Vrlo se često nalazi po kamenitim zidovima i ogradama, zidovima i krovovima kuća u naseljenim mjestima po kojima se izuzetno vješto i okretno kreće.
Krška gušterica (Podarcis melisellensis) ima vrlo varijabilnu obojenost. Temeljna boja je smeđa ili zelenkasta s uzorkom uzdužnih tamnijih i svijetlijih pruga, ponekad i donekle mrežastim uzorkom. Kod nekih populacija i/ili jedinki šare u potpunosti izostaju (uniformna obojenost ili forma modesta). Takve jedinke su obojene jednolično smeđe-zeleno. Trbušna strana je bijela, žuta ili narančasta, obično bez dodatnih oznaka ili mrlja. Kod nekih populacija odnosno jedinki prisutne su plave točke na rubovima vanjskog reda trbušnih pločica.
Kućni macaklin (Hemidactylus turcicus) je isključivo noćna životinja. Tijelo je tanko, s donje strane je bijele boje, a s gornje strane je koža ružičasta sa smeđim mrljama i velikim brojem bradavica. Ima velike oči s okomitom zjenicom, ali nema očne kapke nego su mu oči prekrivene prozirnom kožicom (spectaculum) čiju površinu čisti lizanjem. Za macakline je karakteristično glasanje, a glasanje kućnog macaklina zvuči poput glasnog kreketanja.
Ptičji svijet NP-a Mljet bogat je i raznovrstan, osobito u doba seobe. U borovim šumama i makiji su brojne male pjevice, kao što je zeba (Fringilidae), crvendać (Erithacus rubecula) i kos (Turdus merula), a u proljetnim i ljetnim mjesecima se čuje pjev slavuja (Luscinia megarhynchos). Od grabljivica, može se vidjeti vjetruša (Falco tinnunculus), kobac (Accipiter nisus) i škanjac osaš (Pernis apivorus). Od sova, česte vrste su ćuk (Otus scops), šumska sova (Strix aluco) i ušara (Bubo bubo).
Od sisavaca tu žive: miš (Apodemus mystacinus), jež (Erinaceus roumanicus), više vrsta šišmiša (Chiroptera), obični puh (Glis glis), kuna bjelica (Martes foina), mungos (Herpestes javanicus auropunctatus) unesen od strane Austro-Ugarske monarhije 1910., te obični zec (Lepus europaeus) i jelen lopatar (Dama dama) koji su uneseni na otok poslije Drugoga svjetskog rata kao i muflon (Ovis (orientalis) musimori) i divlja svinja (Sus scrofa).