Bioluminesoivia eläimiä löytyy ainakin puoli tusinaa eläinfylaa. Tähän sisältyvät bioluminesoivat cnidarians (meduusat, korallit ja merikynät), ctenophores (”kammihyytelöt”), niveljalkaiset (tulikärpäset, hehkuva matot, tietyt sieni-näärät, tuhatjalkaiset ja tuhatjalkaiset), tietyt annelidit, yksi etanilaji, merinisäkkeet mukaan lukien tietyt simpukat, nudibranchs, mustekalat ja kalmaarit, erilaisia kaloja, joitakin hauraita tähtiä, ryhmä pieniä äyriäisiä, kaikki krilli, 65 sienilajia, protistit, joita kutsutaan dinoflagellateiksi, ja suuri joukko bioluminesoivia bakteereja. Kolme viimeistä eivät ole itse asiassa bioluminesoivia eläimiä, mutta ne ovat bioluminesoivia organismeja.
Bioluminesenssia esiintyy tietyissä eläimissä, joissa kemiallinen energia (ATP: n muodossa) muuttuu valoenergiaksi, joka yleensä huipentuu yhden spektrin osan ympärille ja tekee siitä yhden värin. Vihreä on ylivoimaisesti yleisin väri, jota maanpäälliset bioluminesoivat eläimet käyttävät, kun taas sininen on suosituin väri bioluminesoivien eläinten keskuudessa. Jokaisella spektrin värillä on bioluminesoiva eläin tai proteiini, mutta useimmat värit ovat melko harvinaisia. Ero suosituissa väreissä maalla ja merellä on olemassa, koska eri värit erottuvat kussakin ympäristössä ja eläinten visuaaliset järjestelmät kussakin ympäristössä on viritetty paikallisiin väreihin.
Bioluminesoivien eläinten olemassaolosta on viisi hyväksyttyä teoriaa. Nämä ovat se, että bioluminesenssi voi suorittaa naamioinnin, (saaliin, tulevien saalistajien ja kavereiden) vetovoiman, hämmennyksen sekaannuksella, bioluminoivien bakteerien välisen kommunikaation (koorumin tunnistaminen) ja harvoin saalisen valaistuksen ( Black Dragonfish). Voi olla vaikea selittää, miksi tietyt organismit ovat bioluminesoivia, kun taas toisten kanssa syyt voivat olla ilmeisiä.
Esimerkiksi joillakin lajeilla, kuten tulikärpäsillä, bioluminesenssi on niin integroitunut organismiin, että se on erottamaton osa sen elämäntapaa – tulikärpästen toukat käyttävät sitä karkottamaan saalistajia, kun taas aikuiset käyttävät sitä houkutellakseen saalista ja signaalia puolisoilleen. Kytke lamppu päälle hyönteisten saastamalla alueella ja näet luminesenssin hyödyn saaliin houkuttelemisessa. Fireflies on erittäin tehokas kemiallisen energian muuntamisessa valoksi – se tekee sen 90%: n hyötysuhteella. Sitä vastoin tyypillinen hehkulamppu on vain 10% tehokas.
Toinen yleinen ryhmä bioluminesoivia organismeja ovat bioluminesoivat sienet. Nämä hohtavat vihreinä houkutellakseen yöeläimiä auttamaan itiöiden leviämisessä.