L'archipel est une zone de reproduction pour de nombreuses espèces d'oiseaux marins, et constitue la seconde plus grande colonie au monde de fous de Bassan, avec 119 000 oiseaux ; elle fut longtemps première, mais l'Île Bonaventure au Québec la dépassa en 2008 avec 121 000 oiseaux, et continuera vraisemblablement de rester en tête en raison d'une croissance de 3% tandis que la population sur Saint-Kilda est stable. Y nichent également 49 000 couples d'océanite culblanc (90% de la population européenne), 136 000 couples de Macareux moine (30% de la population Britannique), et 67 000 couples de fulmar boréal (13% de la population Britannique avec Dùn comme plus grande colonie).
Avant 1828, Saint-Kilda était la seule zone de reproduction du fulmar boréal au Royaume-Uni, mais ils se sont depuis étendus et ont établi d'autres colonies, dont celle de Fowlsheugh. Le dernier Grand pingouin vu au Royaume-Uni fut tué sur Stac an Armin par deux habitants en juillet 1840 ; selon Haswell-Smith, ils pensaient que le pingouin était une sorcière. En 2007, des recherches quant à la chute récente de la population de l'océanite culblanc ont montré un comportement inhabituel de la part des grand labbe de l'archipel, qui sont des prédateurs naturels de l'océanite. En effet, les écologistes observèrent grâce à des instruments de vision nocturne que les grands labbe chassaient les océanites pendant la nuit, ce qui est une stratégie très particulière pour un oiseau de mer.
Plusieurs espèces animales sont propres à l'archipel : une sous-espèce de Troglodyte mignon, une sous-espèce de mulot connue sous le nom de « Mulot de Saint-Kilda » et une sous-espèce de souris commune connue sous le nom de « Souris domestique de Saint-Kilda ». Cette dernière s'éteignit complètement après l'évacuation des habitants, comme elle dépendait intégralement des colonies et bâtiments. Elle avait un certain nombre de traits en commun avec une autre sous-espèce trouvée sur l'île de Mykines dans l'archipel des Féroé. Cette évacuation en 1930 fut également un changement pour le phoque gris qui se reproduit maintenant sur Hirta.
Les habitants ont eu jusqu'à 2 000 moutons, et ceux-ci furent aussi déplacés lors de l'évacuation. Cependant, un troupeau de de moutons de Soay fut transféré de Hirta à Soay, où ils existent depuis probablement cinq siècles, et vit presque totalement à l'état sauvage. Cette race primitive de mouton a l'avantage de ne pas nécessiter de tonte. Leur population a varié entre 600 et 1 700 sur Hirta, et il y en a à présent 200 sur Soay. Quelques uns ont été exportés pour se mélanger aux races d'autres pays, où ils sont appréciés pour leur résistance et leur petite taille. Sur Hirta et Soay, ces moutons préfèrent les pâturages de Plantago, qui poussent bien dans les zones d'embruns (ces aérosols marins sont enlevés par le vent à la crête des vagues) ; outre le plantago, ils sont amateurs de fétuque rouge et armérie maritime. Il existe également une race de mouton unique à l'île de Boreray. À la différence de ceux de Soay, qui sont une race ancienne ayant eu peu de changements, les moutons de Boreray résultent d'un croisement à la fin XIXe siècle entre le résistant Scottish Blackface et le Old Scottish Shortwool, race éteinte originaire des Hébrides. Les moutons de Boreray ont deux records : ils sont les plus petits moutons des îles Britanniques, et la seule race de mouton dont l'existence est jugée critique (i.e. moins de 300 moutons vivants) par le Rare Breeds Survival Trust, organisation visant entre autres à assurer l'existence d'animaux du Royaume-Uni.
L'isolement de l'archipel a entraîné un manque de biodiversité : par exemple, on recense seulement 58 espèces de papillons contre 367 trouvés dans les Hébrides extérieures. La flore est fortement influencée par le sel marin, les vents forts et des sols tourbeux acides. Il ne pousse pas d'arbres sur l'archipel, et l'on recense 130 plantes à fleurs, 162 espèces de Fungi, 160 espèces de bryophyte (plantes qui ont conservé le plus de caractères des premières à avoir colonisé la terre ferme) et 194 espèces de lichens dont quelques variétés rares. Des algues géantes et une intéressante diversité d'invertébrés marins vivent dans les mers environnantes. Sur la plage de Village Bay, les longues étendues de sable d'été refluent en hiver et exposent ainsi les gros galets se trouvant dessous. Un recensement de 1953 y trouva une seule espèce, le crustacé isopoda Eurydice pulchra.