Η Κίμωλος αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα φυσικά καταφύγια της φώκιας Μοναχός (monachus-monachus) και φιλοξενεί μαζί με τη κοντινή νησίδα Πολύαιγο περίπου 40 άτομα από τα συνολικά 500 εναπομείναντα που υπάρχουν σε ολόκληρο τον κόσμο. Η ύπαρξη αρκετών απομονωμένων παραλιών βοηθά τις ενήλικες φώκιες να γεννούν συνήθως  ένα και σπανιότερα δύο μικρά, κάθε δύο χρόνια. Στην Κίμωλο διαβιεί επίσης η κόκκινη οχιά (Macrovipera schweizeri) και η μπλε σαύρα (Podarcis milensis), δυο αμιγώς ενδημικά είδη που απαντώνται επίσης στα γύρω νησιά. Στο νησί έχουν καταγραφεί συνολικά 72 είδη πουλιών, όπως ο απειλούμενος Μαυροπετρίτης (Falco eleonorae), ο Σπιζαετός (Hieraaetus fasciatus), ο Πετρίτης,  γεράκια, αγριοπερίστερα και θαλασσοκόρακες οι οποίοι αποτελούν αξιοθέατο αφού κάθονται στα βράχια με ανοιχτά φτερά για να τα στεγνώσει ο ήλιος. Η χλωρίδα του νησιού διαθέτει πάνω από 400 κοινά και σπάνια μεσογειακά είδη(σκίνοι, μυρτιές, θυμάρι, κέδροι, κρινάκι της άμμου, πουρνάρια, αρμυρίκια, άγριο αγιόκλημα κ.ο.κ.) εκ των οποίων τα 32 θεωρούνται εξαιρετικής σημασίας, καθώς είναι αφενός ενδημικά, αφετέρου θεωρούνται απειλούμενα.