Lorsque les premiers colons sont arrivés à Madère, les seuls mammifères qu'ils ont trouvés étaient des chauves-souris, dont l'une est endémique : la chauve-souris de Madère. Tous les autres mammifères terrestres, des lapins aux rats, des chevaux aux chèvres, des vaches aux chiens, ont été introduits par l'homme. Sur les quelque 3 300 espèces d'invertébrés répertoriées, la plupart des escargots ou des insectes microscopiques, près de trente pour cent sont uniques à Madère.
Sur l'archipel ont été identifiées 42 espèces d'oiseaux, dont neuf endémiques. Les îles font partie de deux des plus grands sanctuaires d'oiseaux marins au monde : les îles Desertas et les îles Selvagens, essentielles à leur nidification. La freira-da-Madeira, un oiseau extrêmement rare et que l'on croyait éteint, a été redécouverte en 1969 grâce au travail de l'ornithologue local Alec Zino. Ses observations, complétées par des analyses ADN, ont montré qu’il s’agissait d’une espèce différente de Pétrel de Fea. Il est devenu connu sous le nom de Freira-da-Madeira ou pétrel de Zino. Ce petit oiseau marin noir et blanc s'accouple dans les montagnes centrales de l'île et ne pond qu'un œuf par an. On estime que la population est limitée à 40 couples, c'est l'une des espèces où les deux partenaires restent fidèles.
Le pigeon de Madère n'existe que dans la forêt de lauriers, la population totale étant estimée à 10 300 individus. Tout aussi intéressants sont l'hirondelle, les pistes, le calcamar, le pinson, le firecrest et la cigarette. Quelques amphibiens et reptiles, à l'exception des lézards endémiques de Madère, sont très communs dans les jardins de Funchal.
Les eaux de Madère sont un refuge pour les mammifères marins. Le plus célèbre est le phoque moine, également connu sous le nom de loup de mer. La population recensée ne dépassera pas le demi-millier d'animaux répartis sur la côte nord-ouest de l'Afrique jusqu'à Madère. Une colonie de plus de 20 membres vit dans la réserve naturelle des Desertas, faisant de fréquentes incursions vers la Ponta de São Lourenço. Des dauphins de diverses espèces évoluent ici et on peut observer 18 espèces de baleines dans ces eaux.
La réserve naturelle de Garajau, située à l'est de Funchal, occupe une zone maritime de plus de 376 hectares. On peut également apercevoir dans ce simple espace protégé, des murènes peintes, des anguilles du jardin, des raies ou encore des tortues. Avec des eaux cristallines, c'est un endroit idéal pour plonger et découvrir la vie marine.
De nombreux amateurs de pêche au gros affluent à Madère pour pêcher le marlin, le thon bleu ou le thon record, dont le poids dépasse les 300 kg. De mai à septembre, bateaux et jets privés amènent des dizaines de pêcheurs, intéressés par la richesse de ces eaux profondes de l'Atlantique. À Madère, le monde prestigieux de la pêche au makaire bleu de première qualité a été remporté à plusieurs reprises. D'autres espèces très appréciées des amateurs de pêche au gros sont les Marlins blancs, l'espadon, le maquereau d'Inde, le rabilha, le patudo, le germon, le germon, la bonite et le barracuda.
La plupart des pêcheurs ont adhéré au système « tag and release », remettant à la mer le marlin bleu après avoir obtenu le label correspondant. Participer à une expédition de pêche au coup, un bateau préparé pour ce sport, c'est une expérience passionnante. Il faut beaucoup de patience et d'ingéniosité pour attraper un magnifique marlin bleu, mais même cela n'est pas réussi, l'aventure est extraordinaire.