Ước tính số loài còn sống đã miêu tả được chấp nhận trong nhóm động vật thân mềm dao động từ 50.000 đến tối đa 120.000.[1] Năm 1969 David Nicol đưa ra con số phỏng đoán 107.000 trong đó có khoảng 12.000 loài chân bụng nước ngọt và 35.000 loài trên cạn. Động vật hai mảnh vỏ (Bivalvia) có thể chiếm khoảng 14% tổng số và 5 nhóm khác chiếm ít hơn 2% trong số các loài động vật thân mềm còn sinh tồn.[4] Năm 2009, Chapman ước tính số loài còn sinh tồn đã được miêu tả là 85.000.[1] Haszprunar năm 2001 ước tính khoảng 93.000 loài đã được đặt tên, trong đó gồm 23% các loài ở biển đã được đặt tên.[5] Động vật thân mềm là nhóm xếp thứ 2 sau arthropoda (chân khờp) về số lượng loài còn sinh tồn[3]—chúng cách rất xa so với arthropoda là 1.113.000, nhưng dẫn trước chordata với 52.000.[6] Có khoảng 200.000 loài còn sinh tồn theo ước tính trên tổng số,[1][7] and 70,000 loài hóa thạch, mặc dù số loài tổng cộng của động vật thân mềm đã từng tồn tại, hoặc không được bảo tồn phải lớn hơn nhiều so với số lượng còn sinh tồn ngày nay.[8]

Động vật thân mềm có nhiều dạng hơn so với bất kỳ nhóm nào khác trong ngành động vật. Chúng bao gồm ốc sên, ốc và các loài động vật chân bụng; clam và các loài bivalve khác; mực và các loài cephalopoda khác; và các loài ít được biết đến hơn nhưng là nhưng phân nhóm riêng biệt có tính tương đồng. Phần lớn các loài vẫn sống trong các đại dương, từ vùng ven bờ đến vùng biển thẳm, nhưng một số là thành phần quan trọng trong các hệ sinh thái nước ngọt và trên cạn. Động vật thân mềm cực kỳ đa dạng trong các vùng nhiệt đới và ôn đới, nhưng cũng có thể được tìm thấy ở tất cả các vĩ độ. Khoảng 80% trong số các loài động vật thân mềm đã được biết đến là động vật chân bụng.[3] Cephalopoda như mực, bạch tuộc là những động vật có hệ thần kinh tiến bộ nhất trong nhóm các loài động vật không xương sống.[9] Mực khổng lồ, cho đến gần đây đã không được quan sát còn sinh tồn ở dạng cá thể trưởng thành,[10] là một trong những động vật không xương sống lớn nhất, nhưng mẫu vật được bắt gần đây của loài Mesonychoteuthis hamiltoni dài 10m và nặng 500 kg có thể đã vượt qua loài mực khổng lồ.[11]

Động vật thân mềm nước ngọt và trên đất liền thuộc nhóm dễ bị tổn thương. Những ước tính về số loài động vật thân mềm không sống trong biển thì nằm trong một khoảng rộng, một phần là do nhiều khu vực không được khảo sát kỹ lưỡng. Ngoài ra còn có sự thiếu hụt các chuyên gia có thể xác định tất cả các loài động vật trong bất kỳ một khu vực đến cấp loài. Tuy nhiên, năm 2004 Sách đỏ IUCN về các loài bị đe dọa bao gồm gần 2.000 loài động vật thân mềm sống trong môi trường nước ngọt và đất liền bị đe dọa. Để so sánh, phần lớn các loài động vật thân mềm sống trong biển, nhưng chỉ có 41 trong số này có mặt trong Sách Đỏ năm 2004. Khoảng 42% các loài đã tuyệt chủng được ghi nhận từ năm 1500 là động vật thân mềm, bao gồm gần như toàn bộ các loài không sống trong biển.[12]