Los mamíferos que habitan la Reserva Natural Parcial de la ría de Villaviciosa son todos terrestres, a excepción de la nutria (Lutra lutra), único mamífero acuático de la ría que después de varios años extinta en el estuario, ha vuelto a colonizarlo proveniente de otros ríos cercanos.

Por otra parte la presencia de mamíferos marinos es accidental, debida principalmente a varamientos o acercamientos a la costa por movimientos divagantes. En la playa de Rodiles se han dado varamientos de varias especies de cetáceos: el delfín común (Delphinus delphis), el calderón (Globicephala melaena), o la marsopa (Phocoena phocoena), entre otros; y focas como la foca barbuda (Erighnatus barbatus).

Aunque los grandes herbívoros no son habitantes comunes de este estuario, las dos especies más abundantes de los bosques de la franja costera asturiana, el corzo (Capreolus capreolus) y el jabalí (Sus scrofa), evidencian sus salidas nocturnas a la ría desde los bosquetes cercanos por los rastros que se encuentran de ellos.

Hay varias especies de carnívoros que utilizan el estuario como zona de campeo: el zorro (Vulpes vulpes), la garduña (Martes foina), el armiño (Mustela erminea), la comadreja (M. nivalis) y el turón (M. putorius).
Todos ellos, además de cazar ocasionalmente aves de la ría, se alimentan principalmente de la nutrida fauna de micromamíferos, siendo los más abundantes el erizo común (Erinaceus europaeus), el topo ibérico (Talpa occidentalis), varias especies de musarañas: común (Croccidura russula), campesina (C. suaveolens), y de millet (Sorex coronatus), el lirón careto (Eliomys quercinus) y varios roedores, como la rata cavadora (Arvicola terrestris), la ratilla agreste (Microtus agrestis), la ratilla campesina (M. arvalis), el topillo lusitano (Pytymis lusitanicus), las ratas común (Rattus norvegicus) y negra (Rattus rattus) y los ratones casero (Mus musculus), de campo (Apodemus sylvaticus), leonado (A. flavicollis) y espiguero (Micromys minutus).

Por último los murciélagos que habitan en la ría de Villaviciosa son el de herradura (Rhinolopus ferrumequinum), el común (Pipistrellus pipistrellus), el ribereño (Myotis daubentoni) y el orejudo (Plecotus austriacus), todos ellos ampliamente difundidos por la región.

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