Anfangs war Mellum eine Insel der Seeschwalben. Mit der Veränderung der Vegetation änderte sich die Zusammensetzung der Brutvogelarten. Heute ist Mellum eine Insel der Möwen. Mehr als 2.900 Paare Herings- und ca. 2.500 Paare Silbermöwe brüten hier, deren Rufe im Frühjahr und Sommer die Luft erfüllen. Unüberhörbar sind zudem die Rufe der Austernfischer, die auf Mellum mit mehr als 270 Brutpaaren vertreten sind.
Etwa 40 verschiedene Brutvogelarten werden jedes Jahr auf Mellum registriert. Weitere Brutvögel sind u.a. Kormoran, Löffler, Kornweihe, Rotschenkel, Schwarzkopfmöwe, Brand,- Fluß- und Küstenseeschwalbe.
Im Herbst und Frühjahr suchen Hunderttausende von Wat- und Wasservögeln die Insel und die sie umgebenden Sandplaten und Wattflächen auf. Hier können sie ungestört rasten und fressen – entscheidende Voraussetzungen, um das nötige Fettpolster für den Weiterflug ins Winterquartier oder in das Brutgebiet anlegen zu können.
Mellum und das südlich angrenzende Hohe-Weg-Watt mit seinen zahlreichen Sandbänken ist einer der
wichtigsten Seehund-Lebensräume im Nationalpark “Niedersächsisches Wattenmeer”.
Neben Robben und Menschen sind Waldmäuse die einzigen Säugetiere auf Mellum. Sie wurden während des 2. Weltkrieges mit Pflanzmaterial eingeschleppt.