Отдельные группы беспозвоночных животных, обитающие в акватории Заповедника, изучены неравномерно, и поэтому оценка числа видов для большинства из них носит пока предварительный характер. Тем не менее можно принять, что здесь обитает не менее 2000 видов разных беспозвоночных. Рассмотрим некоторых массовых представителей беспозвоночных, входящих в состав основных экологических группировок.
     Зоопланктон. В зоопланктоне зал. Петра Великого преобладают различные ракообразные (главным образом веслоногие, ветвистоусые, евфаузииды), щетинкочелюстные, аппендикулярии, инфузории, а в сезоны массового развития также медузы, гребневики, сальпы и личинки донных беспозвоночных. Биомасса зоопланктона существенно изменяется в разные сезоны. Зимой преобладают холодноводные виды веслоногих раков и евфаузиид, некоторые из которых являются важными кормовыми объектами рыб. Летом вслед за развитием фитопланктона отмечается резкое увеличение количества зоопланктона. Затем масса зоопланктона постепенно понижается.
     Большой интерес вызывает одноклеточный хищный жгутиконосец ночесветка. Этот организм способен светиться при механическом или химическом раздражении и в значительной степени обусловливает свечение в прибрежных водах. Ночесветка образует иногда мощные скопления с плотностью до 0,5-0,7 млн. клеток на литр. При этом вода на поверхности приобретает бурый или красный цвет, что дало основание называть это явление "красным приливом" или "красным цветением".
     Зообентос. Наиболее многочисленными по числу видов на литорали и верхней сублиторали заповедника являются брюхоногие и двустворчатые моллюски, многощетинковые черви и разноногие раки. Вместе с тем здесь встречаются представители большинства других групп беспозвоночных. На каменистой литорали, особенно в ее верхней части резко преобладают брюхоногие моллюски: литорины и морские блюдечки. Здесь также многочисленны поселения усоногих раков, прикрепленных к скалам. Среди подвижных ракообразных как на каменистых, так и на песчаных грунтах массовыми являются амфиподы, образующие иногда скопления до 100 тыс. особей на кв.м и равноногие раки. В нижней части литорали отмечаются также морские звезды, морские ежи, полихеты, актинии, более характерные, однако, для следующей зоны. 
 
 

      В верхней сублиторали на всех грунтах наибольшую биомассу создают двустворчатые моллюски и иглокожие. У скалистых берегов твердые грунты (скалы, камни) занимают обычно первые 10-15 м по глубине, причем здесь сообщества сменяются довольно быстро. Затем идут мягкие грунты - песок, ил. Наибольшее число видов животных и растений отмечается на глубине 5-10 м. В верхней сублиторали часто встречаются заросли ламинариевых, саргассовых и других водорослей, а также морских трав филлоспадикса и зостеры, где живут многочисленные беспозвоночные. На водорослях живут амфиподы, мелкие гастроподы, сидячие черви спирорбис ячеистый, образующий спирально закрученные трубки, прикрепленные к листьям и слоевищам. На дне ползают небольшие водорослевые крабы, раки-отшельники, морские звезды, встречаются шаровидные морские ежи.
     Некоторые участки самой верхней сублиторали лишены густых зарослей растений. Обычно это имеет место на скалах и крупных валунах у открытых прибойных берегов. На камнях прикрепляются морские желуди, актинии, встречаются многочисленные иглокожие: морские ежи и морские звезды. Между валунами прикрепляются друзы крупной мидии Грея. Здесь встречаются также дальневосточные трепанги, а в щелях, заполненных песком, актинии.
     В верхней сублиторали мористой стороны островов на глубинах 10-20 м и более встречается очень крупная (диаметром до полуметра) морская звезда -эвастерия сетчатая - малиновая с широкопетлистой сетью синего цвета. Здесь также, впервые для зал. Петра Великого, сотрудниками Института биологии моря найден колониальный гидроид соландерия мисахинензис, часто прикрепляющийся к нависшим скалам и по внешнему виду напоминающий ветку кипариса. На более глубоких каменистых участках дна селятся песчаные осьминоги. Возле подводных скал отмечаются большие скопления молоди ценнейшего промыслового вида - камчатского крабоида.
     Особый интерес представляют большие агрегации (банки) мидий Грея, образующих наиболее богатые по биомассе и набору сопутствующих видов сообщества. Мидии Грея образуют такие агрегации на глубинах от 4-5 до 20 м и глубже - при наличии твердого субстрата. Биомасса самих мидий достигает при этом 40 кг на кв. м. В составе агрегаций встречаются особи, имеющие возраст до 100 и более лет. наружный слой состоит из взрослых особей, молодые находятся в биссусных нитях взрослых. На мидиях живут мшанки, губки, строят свои домики сидячие черви, к раковинам мидий прикрепляются водоросли, гидроиды и многие другие животные. Однако суммарная биомасса этих сопутствующих организмов обычно в несколько раз меньше биомассы самих мидий Грея. В настоящее время численность мидии Грея в зал. Петра Великого подорвана промыслом и браконьерством, этот вид должен находиться под повсеместным контролем и охраной, так как промыслового размера (более 10 см) особи этого вида обычно достигают за 15 лет и без специальных мероприятий по воспроизводству запасы их будут продолжать сокращаться.
     На мягких субстратах в открытых частях залива на глубине 15-20 м эпифауна (т.е. организмы, связанные с поверхностью дна) довольно бедна. На песчаных и илисто-песчаных грунтах встречаются приморские гребешки, выпуклая створка которых погружается в специально образованную ямку так, что при закрытой верхней створке она не выступает над поверхностью дна. Здесь живут также морские звезды - патирия гребенчатая, амурская звезда и другие, шаровидные морские ежи, дальневосточный трепанг. Для инфауны (т.е. закапывающихся организмов) характерны многощетинковые черви - полихеты, составляющие до 40% общей биомассы, двустворчатые моллюски, сердцевидный морской еж.
     В самой верхней сублиторали открытых песчаных пляжей встречаются немногочисленные раки-отшельники, амфиподы, гастроподы. Значительно богаче здесь зарывающиеся формы: крупные двустворчатые моллюски спизула сахалинская, мактра полосатая, перонидия жилковатая, сердцевидка калифорнийская, мерценария Стимпсона и другие. Глубже (3-5 м) обычно отмечается морская трава зостера, с которой связаны многочисленные виды амфипод, изопод, полихет, гастропод и молоди двустворчатых моллюсков. В эпифауне появляется хищный брюхоногий моллюск тектонатика янтостома, который высверливает отверстия в раковинах двустворчатых моллюсков и затем поедает их. В песчаном грунте обитают также три вида плоских морских ежей, самый крупный из которых темно-фиолетовый скафехинус необыкновенный.
     Беспозвоночные полузакрытых и закрытых бухт, некоторые из которых подвергаются к тому же опреснению, существенно отличаются по составу сообществ. Среди массовых видов здесь обитают гигантские устрицы, создающие иногда банки и особые сообщества. Мидия Грея замещается модиолусом длиннощетинистым, также образующим агрегации. Для бухт характерны крупные двустворчатые моллюски анадара Броутона и арка Боукарда. Разнообразна фауна опресненного участка бух. Сивучьей, куда впадает протока из оз. Птичьего. Здесь встречается ряд солоновато-водных и даже пресноводных видов моллюсков, которых нет в других участках заповедника.