จากการสำรวจความหลากหลายของสัตว์ป่าในอุทยานแห่งชาติเขาแหลมหญ้า-หมู่เกาะเสม็ด พบว่า มีสัตว์ป่าที่มีกระดูกสันหลังไม่น้อยกว่า 144 ชนิด ได้แก่ กระจงหนู หรือ กระจงเล็ก อีเห็นเครือ ลิงแสม กระรอกหลากสีสีแดง กระจ้อน หรือ กระรอกดินข้างลาย กระแตเหนือ ค้างคาวแม่ไก่เกาะ นกยางทะเล เหยี่ยวนกเขาชิครา นกแอ่นตาล นกนางแอ่นบ้าน นกแซงแซวหางปลา นกแซงแซวปากกา นกเอี้ยงสาริกา งูสิงหางลาย งูเขียวดอกหมาก หรือ งูเขียวพระอินทร์ ตะกวด เหี้ย แย้ กิ้งก่าบินหัวแดง จิ้งจกบ้านหางหนาม จิ้งเหลนหลากหลาย ตุ๊กแกบ้าน คางคกบ้าน กบนา ปาดบ้าน และ อึ่งอ่างบ้าน เป็นต้น