Στον Άγιο Ευστράτιο έχουν παρατηρηθεί 35 είδη πουλιών, σχεδόν όλα μεταναστευτικά. Στους απόκρημνους παράκτιους βράχους του νησιού βρίσκει καταφύγιο ο Mαυριπετρίτης (Falco eleonorae), μεταναστευτικό γεράκι και άλλα είδη θαλάσσιων πουλιών όπως ο Ασημόγλαρος (Larus cacchinans), ο Θαλασσοκόρακας (Phalacrocorax aristotelis) και ο Μύχος (Puffinus yelkouan). Μεταξύ άλλων πτηνών απαντώνται επίσης το Αγριοπερίστερο, η Κουρούνα, η νησιωτική πέρδικα και το Βραχοκιρκίνεζο. Άγρια θηλαστικά που ζουν στο νησί είναι το αγριοκούνελο (Οryctolagus cuniculus) και το προστατευόμενο είδος σκαντζόχοιρου της ανατολικής Ευρώπης (Erinaceus concolor), ενώ από ερπετά απαντώνται ο Λαφιάτης (Elaphe quatuorlineata), το Αστραπόφιδο (Coluber caspius) και οι σαύρες Οφίσωψ (Ophisops elegans), Τυφλίτης (Ophisaurus apodus) και Κυρτοδάκτυλος (Cyrtodactylus kotschyi adelphiensis). Στην παράκτια βραχώδη ζώνη όπου εντοπίζονται οι θαλασσοσπηλιές, βρίσκουν ιδανικό καταφύγιο οι μεσογειακές φώκιες Monachus Μonachus.