亜熱帯のものから亜寒帯のものまで植物の種類が豊富で、多様性に富む。国土のほとんどの地域で、一年の間に湿度の高い時期を経験するので、高湿度に適した植物が多く分布している。コケ植物やシダ植物なども豊富。また、法定ではなく慣習的に菊と桜が国花もしくはそれと同等の扱いを受ける。この他各自治体でも独自の木や花を制定している。
詳細は日本の哺乳類を参照
日本には100種強の哺乳類が生息し、そのうち固有種は3割を超え、7属が固有属である。日本の哺乳類相は、北海道と本州の間にあるブラキストン線、また南西諸島のうち、トカラ列島と奄美諸島の間にある渡瀬線で区切られており、これらを境に、異なる動物群が生息している。
大型哺乳類では、北海道のヒグマ、本州のツキノワグマ、ニホンジカ、ニホンカモシカなどがいる。
固有種であるニホンザルのうち、下北半島に住む個体群は、世界で最も北方に棲息するサルである。ニホンオオカミ、エゾオオカミ、ニホンアシカ、および日本のラッコ個体群は絶滅。ニホンカワウソも絶滅の可能性が高い。日本犬や日本猫は、都道府県によって様々な品種がある。
詳細は日本の鳥類、日本の野鳥一覧をそれぞれ参照
500種を越える鳥類が観察されている。
四周を海に囲まれるため、水鳥の種類は豊富である。南北に長い弧状列島は、渡り鳥の中継地としても重要である。また、シベリアで繁殖する鳥の越冬地やさらに南に渡る鳥の渡りの中継地点として重要であり、東南アジア等で越冬した鳥が繁殖する地でもある。このように日本列島は渡り鳥が豊富に行き交う位置にある。近年日本国内の渡り鳥の中継拠点となる干潟の乱開発による減少や、日本で繁殖する鳥の越冬地である東南アジアの森林環境の破壊が、日本で見られる鳥類の存続の脅威となっている。
日本の固有種はメグロなどがある。国鳥はキジ。日本のトキの個体群は絶滅。現在佐渡市で人工的に繁殖されているトキは、中国の個体群から借り入れたものである。
人家の近くには、カラス、スズメ、ハト、ツバメ、ハクセキレイなどが生息し、古来日本文化の中で親しまれてきた。
爬虫類・両生類はいずれも亜熱帯に種類が多く、日本では南西諸島に半分以上の種が集中する。これは島ごとの種分化が進んでいるためでもある。本土内では島ごとの種分化はさほど見られない。例外はサンショウウオ類で、南西諸島には見られないが、本土の各地方での種分化が進んでおり、多くの種を産することで世界的にも知られている。また、現存する世界最大の両生類であるオオサンショウウオは日本を代表する両生類として世界的に知られている。
日本の近海では魚類は種類、数共に豊かで、三陸海岸沖から千島列島にかけては世界三大漁場の一つに数えられる。日本近海を暖流と寒流が流れ、これらの接点である潮境ではプランクトンが発生しやすいことや、周辺に広い大陸棚や多様で複雑な海岸を持つことなどが好条件となっている。河川は大陸に比べて規模が小さいため淡水魚の種は多くはない。古代湖である琵琶湖などには多彩な種が棲息するものの、アユ等の食用に供される種の人為的放流や外来魚の勢力拡大により、希少種の絶滅や淡水魚類相の激変が問題となっている。他方、雨量の多い気候のために河口域に汽水域が出来やすく、貝類も豊富である。
昆虫は亜熱帯のものから亜寒帯のものまで種類が豊富で、多様性に富む。国土に森林が多いため、数も多い。都市部でも多くの昆虫が見られる。雨が多く、湿地や水田が各地にあるため、特にトンボの種類が多い。また、カブトムシなど里山に暮らす昆虫も多く見られたが、暮らしの変化とともに少なくなった。江戸時代頃からスズムシやコオロギの鳴き声を楽しむために飼育が行われてきた。愛玩対象として昆虫を飼う文化は世界的にも珍しい。オオムラサキが国蝶。