动物界的同性性行为是指已被记录的人类以外的动物同性之间、同性和异性兼有和变性行为的迹象。这些迹象包括性交、爱抚、爱慕行为、择偶（英语：pair bond）倾向及幼儿监护（英语：parenting）行为。加拿大生物学家布鲁斯·贝哲米（英语：Bruce Bagemihl）在1999年发表了一分有关检阅接近1,500个动物物种同性性行为的文献，涉及物种从灵长目到棘头动物门，对其中500个物种又有更详细的着墨。动物性行为（英语：Animal sexual behavior）在同物种之间也有许多不同的形式，而这些行为背后的动机和意思至今还没被人类完全了解，因为大部分物种本身也未被研究透彻。贝哲米说道：“动物王国中同性、同性异性兼有及非交配性行为的普及性与多样性都远超大部分科学学派和社会人士所愿意接受的程度。”挪威动物学家Petter Bøckman（书面挪威语：Petter Bøckman）就批评过往动物学家在遇上动物同性性行为时都会出于惧怕触犯人类社会的禁忌而无视或歪曲其观察结果。

对于反对同性恋权利（LGBT运动）的宗教及社会团体而言同性恋在自然界的存在也是个富有争议性的题材，因为这些观测和研究成果会引起同性恋在人类社会自然而发的合理性争论，亦反驳了中世纪基督教将同性恋列为“违反自然法的罪（拉丁文：peccatum contra naturam / peccatum Sodomiticum / 所多玛罪，即性悖轨罪）”。当尚无明确证据时，有些评论就称同性恋是违反自然的，因为动物不会有同性性行为。 当出现明确证据时，其他人便提出以动物的行为来解释人类道德观念是不适当的。

动物界同性别间的性行为现象从前未曾有过官式的大规模观测，这是因为研究员都害怕同性恋研究带来的社会歧视甚至是同事之间取笑。乔治城大学的生物学者珍妮·曼（Janet Mann）表示：“研究这题材的学者经常被指责为制造事端，而且这些研究会受到比其他研究题材更严格的审查。”

贝哲米说：“除了蚜虫属（英语：Aphis）和海胆纲这些完全没有性行为的品种外，没有任何一个物种有证据显示同性性行为是不存在的，而且雌雄同体的物种都有双性恋倾向，对它们来说同性性行为并不是问题。”他又指出过往观察长颈鹿时会直接将雄性嗅雌性的举动形容为性行为，但雄性间发生性高潮的肛交解释为权力、竞争或问候的表现。其中贝哲米、乔娜·拉夫加登（Joan Roughgarden）（英语：Joan Roughgarden）、蒂埃里·罗得（Thierry Lodé）（英语：Thierry Lodé）认为这些行为并不与权力宣示有必然关系，而是为了强化族群间的社交关系。另外具有持久同性配偶关系的动物也不局限于一夫一妻制的物种，以绵羊为例，有8%的公羊在雌雄皆充裕的环境下还是选择雄性作伴，这些结合多年的公羊的视前区（英语：Preoptic area）前部下丘脑（控制体温、饥饿、性欲等）的细胞组织比母羊要大得多。

雄性美洲野牛之间会进行爱抚和肛交，当地的美洲原住民曼丹族（英语：Mandan）人会在节庆时举行仪式模仿这些野牛的行为以祈求它们在下一季回到他们的土地来。

亚马逊河豚有时会以3至5条为一组进行非交配性行动，小组以雄性为主，偶尔加入一两条雌性，不分性别互相以口鼻和鳍摩擦，有时雄性更以阴茎插进另一个同性的喷气孔，这是有记录唯一的“鼻交”（相对于口交和肛交）例子。

蜻蛉目的昆虫在交配时雄性会以其泄殖腔在雌性头部留下独特的伤痕，11个品种包括豆娘和蜻蜓有20至80%的雄性的头部都发现有这种伤痕，推论出有颇高的蜻蛉目同性性行为。

臼齿蜥（英语：Teiidae）科的雌性蜥蜴具有单性生殖的能力，与雄性交配则比较罕见。雌性蜥蜴为了刺激排卵而随荷尔蒙周期进行同性性行动，在雌激素浓度低时充当雄性角色，浓度高时充当雌性角色，而参加性爱抚的雌性蜥蜴都会比落单的有较高的生育率。