Территория "Орловского полесья" по разнообразию и обилию фауны является уникальной для Орловской области и в целом для России. Здесь обитает 271 вид позвоночных животных, среди них наибольшее число составляют птицы - 177 видов (из них 136 видов гнездятся на территории национального парка), млекопитающих насчитывается 49 видов, рыб- 26 видов, земноводных - 11 видов, пресмыкающихся - 7 видов. В состав фауны национального парка входит 89 видов редких животных, которые внесены в Красную Книгу Орловской области. Из них 12 видов включены в Красную Книгу РФ: 1 вид насекомых (мнемозина), 1 вид рыб (стерлядь), 7 видов птиц (большой и малый подорлики, беркут, змееяд, черный аист, серый сорокопут, европейский средний дятел) и 3 вида млекопитающих (зубр европейский, гигантская вечерница, выхухоль русская). Один вид - зубр европейский - занесен во Всемирную Красную Книгу.
В Полесье типично таежные виды (глухарь, рябчик, черный дятел) соседствуют с представителями степной фауны (степной хорь, серая куропатка, перепел). В парке можно встретить благородных оленей, лосей, рысей, косуль, кабанов и зубров. На территории парка устроены солонцы и оборудованы кормушки для копытных. В зимний период многие копытные животные держатся вблизи подкормочных пунктов, где их легко увидеть. 
По берегам рек, протекающих по территории парка, живут бобры, выдры, норки, ондатры, выхухоли. В парке проводятся работы по восстановлению численности популяции русской выхухоли - древнего вида, эндемика России. 
В настоящее время на территории "Орловского полесья" и сопредельных территориях обитает 286 зубров по данным 2016 года. В период 1996-2001 гг. в национальный парк было завезено 65 зубров. В 1998 г. родился первый зубренок. С тех пор ежегодно появляется все больше зубрят, родившихся в национальном парке. С 2011 года для контроля вольной популяции зубров используются методы дистанционного мониторинга с применением радио-ошейников различных конструкций.