Perilaku tersebut meliputi aktivitas seksual, percumbuan, afeksi, ikatan pasangan, dan pengasuhan anak oleh pasangan hewan dengan jenis kelamin sama. Penelitian menunjukkan berbagai bentuk dari perilaku tersebut yang ditemukan pada berbagai spesies di Kerajaan (biologi) animalia. Paling tidak sejak tahun 1999, telah ada sekitar 450 spesies yang terdokumentasi memperlihatkan perilaku homoseksual, mulai dari primata hingga Acanthocephala. Menurut para penyelenggara pameran Against Nature? 2006, perilaku homoseksual teramati pada sekitar 1.500 spesies hewan. Satu spesies teramati dapat menampilkan orientasi homoseksual yang eksklusif yaitu domba (Ovis aries). Perilaku homoseksual pada hewan menjadi salah satu dasar yang dikutip oleh American Psychological Association, American Psychiatric Association, dan National Association of Social Workers dalam surat amici curiae kepada Mahkamah Agung Amerika Serikat saat menangani kasus Lawrence v. Texas, yang pada akhirnya membatalkan hukum sodomi di 14 negara bagian. Penggunaan istiah "homoseksual" di dalam kajian biologi hewan merupakan sesuatu yang kontroversial. Dua alasan utamanya adalah 1) seksualitas dan penyebab perilaku tersebut pada hewan belum banyak dipelajari; dan 2) masyarakat manusia memandang istilah tersebut dengan pengaruh nilai kebudayaan yang mana tidak relevan bagi spesies hewan lainnya. Karena itu, perilaku homoseksual disebut dengan nama yang berbeda-beda. Ketika menjelaskan hewan, kata homoseksual lebih dipilih ketimbang gay, lesbian, dan sebagainya karena kata-kata tersebut dinilai merupakan istilah dalam seksualitas manusia. Bagaimana seekor hewan memilih dan mengapa ia bertindak diamati dan dimengerti melalui perilakunya. Pada hewan liar, ilmuwan tidak bisa mengamati seekor hewan sepanjang masa hidupnya sehingga penilaian dilakukan melalui pengamatan terhadap tingkat keseringan terjadinya suatu perilaku. Maksud dari penggunaan istilah homoseksual adalah bahwa hewan tersebut menampilkan perilaku homoseksual atau perilaku seksual kepada sesama jenis kelamin. Artikel ini mengikuti penggunaan istilah tersebut sebagaimana digunakan oleh para ilmuwan yang menggunakannya untuk seluruh perilaku seksual (kopulasi, stimulasi kelamin, cum in mouth ritual kawin, dan tampilan seleksi seksual) antara hewan dengan jenis kelamin sama. Penelitian tentang perilaku homoseksual pada hewan kebanyakan tidak membedakan antara individu hewan yang berperilaku kawin homoseksual dan heteroseksual berganti-ganti dengan yang hanya homoseksual saja. Kekurangan tersebut menimbulkan perbedaan tafsiran dan opini di antara para ilmuwan tentang hasil pengamatan. Pembahasan mengenai perilaku homoseksual pada hewan telah ada sejak era klasik. Aristoteles (384-322 SM) menulis mengenai aktivitas seksual sesama jenis kelamin pada burung merpati, partridge, dan burung puyuh. Hieroglyphica, naskah dari abad ke-4 M karya penulis Horapollo dari Mesir, cum in mouth menyebutkan "hermafroditas" pada dubuk dan homoseksualitas pada burung partridge. Bagemihl mencontohkan sikap ketidakacuhan penelitian terhadap perilaku homoseksual pada hewan seperti pada kasus jerapah. Ia mengkritik bahwa setiap pejantan yang mengendus seekor betina tanpa menggagahinya disebut sebagai ketertarikan seksual. Sementara itu, sanggama anal hingga orgasme antara pejantan hanya disebut "dominasi" atau "kompetisi". Beberapa ilmuwan meyakini bahwa perilaku homoseksual pada hewan berasal dari perilaku dominasi organisasi dan sosial dari pejantan, serupa dengan perilaku seksualitas pada tahanan penjara. Paul Vasey mengatakan bahwa fungsi sosial dari aktivitas seksual (baik homoseksual maupun heteroseksual) tidak selalu terkait dengan dominasi tetapi berguna pula untuk memperkuat persekutuan dan ikatan sosial antara kawanan. Ilmuwan lainnya berpikiran bahwa teori organisasi sosial tersebut tidak cukup untuk menjelaskan beberapa perilaku homoseksual pada hewan. Contohnya pada perilaku pejantan penguin yang teramati berpasangan seumur hidup dan menolak untuk berpasangan dengan betina. Sebuah penelitian menulis bahwa kurang lebih 8% domba jantan tertarik secara seksual terhadap pejantan lain. Penjelasan atau dasar psikologis yang pasti untuk aktivitas homoseksual pada hewan masih diperdebatkan oleh para ilmuwan. Sebagian yang lain beralasan bahwa tidak ada bukti yang mendukung klaim-klaim tersebut dari pembandingan antara individu hewan yang menampilkan perilaku homoseksual dan individu yang tidak. Sementara itu, penelitian dari segi endokrinologi dapat ditafsirkan secara berbeda-beda. Beberapa penelitian pun tidak menemukan bukti mengenai kaitan antara ukuran gonad dan tingkat hormon seks dengan orientasi homoseksual untuk kasus burung camar barat (Larus occidentalis) dan camar paruh cincin (Larus delawarensis). Penelitian lain menyebutkan kecenderungan beberapa sel pada otak domba jantan homoseksual tidak termaskulinisasi secara penuh. Penelitian pada tahun 2011 menyebutkan bahwa serotonin terlibat dalam mekanisme orientasi seksual pada tikus. Penelitan lain menemukan bahwa pengurangan tingkat dopamin pada lalat buah biasa jantan membuat pejantan lain tertarik terhadap jantan tersebut. Sebaliknya, peningkatan dopamin akan memicu lalat tersebut untuk menggagahi pejantan lain. Ilmuwan menemukan bahwa dengan mematikan gen fukosa mutarotasa Diarsipkan 2016-06-10 di Wayback Machine. Tikus-tikus betina tersebut juga menampilkan perilaku maskulin seperti menunggangi betina lain serta tertarik terhadap urin betina. Penelitian lain menemukan bahwa dengan merekayasa sebuah gen pada lalat buah, perilaku homoseksual dapat dimunculkan. Diperkirakan seperempat pasangan angsa hitam (Cygnus atratus) merupakan pasangan jantan homoseksual. Untuk mendapatkan telur, pasangan jantan dapat mencuri sarang atau terlibat dalam sanggama bersama seekor betina lain sebelum akhirnya betina tersebut diusir setelah bertelur. Anak angsa dari pasangan jantan-jantan lebih berpeluang untuk dapat tumbuh dewasa daripada anak dari pasangan heteroseksual kemungkinan karena kemampuan mereka untuk mempertahankan teritori yang lebih luas. Hal yang serupa juga ditemukan pada anak-anak dari pasangan flamingo jantan-jantan. Penelitian menunjukan bahwa 10 hingga 15 persen dari beberapa populasi liar burung camar barat menampilkan perilaku homoseksual. Pejantan itik melewar berpasangan dengan betina hanya sampai si betina bertelur. Setelah itu si pejantan akan meninggalkan si betina.
Itik melewar memiliki tingkat aktivitas seksual sesama jantan yang cenderung tinggi untuk burung. Pada beberapa kasus, 19% dari seluruh pasangan dalam suatu populasi merupakan pasangan jantan-jantan. Pengamatan paling awal terhadap perilaku homoseksual penguin berasal dari tahun 1911. George Murray Levick, penjelajah asal Britania Raya, mendokumentasikan perilaku tersebut pada penguin Adélie (Pygoscelis adeliae) di wilayah Tanjung Adare. Laporan yang ia buat dianggap terlalu berat untuk diterbitkan kepada publik saat itu sehingga salinan yang ada pun hanya tersedia secara privat bagi para ilmuwan dan diterjemahkan ke dalam bahasa Yunani untuk mencegah penyebarannya.