В состав фауны национального парка входит 89 видов редких животных, которые внесены в Красную Книгу Орловской области. 42 вида входит в основной список и имеет статус редкости 1-4, другие внесены в Приложение 3, как нуждающиеся в особом внимании к их состоянию в природной среде.

Махаон (Papilio machaon)  -1; Мнемозина (Papilio Mnemosyne) - Прилож. 3; Гребенчатый тритон (Triturus cristatus) - 3; Болотная черепаха (Emys orbicularis) - 3; Веретеница ломкая (Anguis fragilis) - 2; Обыкновенная чесночница (Pelobates fuscus) - Прилож. 3; Медянка обыкновенная (Coronella austriaca) - Прилож. 3; Стерлядь (Acipenser ruthenus) - 3; Чомга (Podiceps cristatus) - Прилож. 3; Белый аист (Ciconia ciconia) - Прилож. 3; Черный аист (Ciconia nigra) - 4; Большая выпь (Botaurus stellaris) - 3; Малая выпь (Ixodrychus minutus) - 3; Большая белая цапля (Egretta alba) - Прилож. 3; Серый гусь (Ancer ancer) - Прилож. 3; Черный коршун (Milvus migrans) - Прилож. 3; Болотный лунь (Circus aeruginosus) - Прилож. 3; Полевой лунь (Circus cianeus) - 2; Ястреб-тетеревятник (Accipiter gentilis) - Прилож. 3; Беркут (Aquila chrisaetos) - 0; Змееяд (Circaetus gallicus) - 1; Осоед (Pernis apiverus) - 2; Малый подорлик (Aquila pomarina) - 4; Большой подорлик (Aquila clanga) - 1; Чеглок (Falco subbuteo) - 2; Пустельга (Falco tinnunculus) - 2; Кобчик (Falco vespernitus) - 1; Рябчик (Bonasa bonasia) - Прилож. 3; Тетерев (Lirurus tetrix) - Прилож. 3; Глухарь (Tetrao urogalus) - Прилож. 3; Серый журавль (Grus grus) - 1; Травник (Tringa tetanus) - 3; Поручейник(Tringa stagnatilis) - 3; Бекас  (Gallinago gallinago) - Прилож. 3; Сизая чайка (Larus canus) - Прилож. 3; Речная крачка (Sterna hirundo) - Прилож. 3; Клинтух(Columba oeans) - 2; Болотная сова (Asio flammeo) - 2; Серая неясыть (Strix aluco) - Прилож. 3; Домовый сыч (Athene noctua) - 2; Мохноногий сыч (Aegolius funereus) - Прилож. 3; Обыкновенный козодой (Caprimulgus europaeus) - Прилож. 3; Обыкновенный зимородок (Alcedo atthis) - Прилож. 3.; Сизоворонка(Coracias garrulous) - 1; Удод (Upupa epops) - Прилож. 3; Зеленый дятел (Picus viridis) - 2; Желна, черный дятел (Dryocopus martius) - Прилож. 3; 
Европейский средний дятел (Dendrocopos medius) - 3; Седой дятел (Picus canus) - 1; Белоспинный дятел (Dryocopus leucotos) - Прилож. 3; Трехпалый дятел(Picoides tridactylus) - 4; Лесной жаворонок (Lullula arborea) - 2; Желтоголовая трясогузка (Motacilla citreola) - Прилож. 3; Серый сорокопут (Lanius excubitor) - 4; Чернолобый сорокопут (Lanius minor) - 2; Кедровка (Nucifrago caryocatactes) - Прилож. 3; Обыкновенный крапивник (Troglodytes troglodytes) - Прилож. 3; Дрозд-деряба (Turdus viscivorus) - Прилож. 3; Обыкновенная горихвостка (Phoenicurus phoenicurus) - Прилож. 3;  Длиннохвостая синица (Aegithalus caudatus) - Прилож. 3; Лесной жаворонок (Lullula arborea) - Прилож. 3; Ястребиная славка (Sylvia nisoria) - 2; Зеленая пеночка (Philloscopus trochiloides) - Прилож. 3; Дроздовидная камышевка (Acrocephalus arundinaceus) - Прилож. 3; Сверчок речной (Locustella fluviatilis) - Прилож. 3; Желтоголовый королек (Regulus regulus) - Прилож. 3; Малая мухоловка (Ficedula parva) - Прилож. 3; Ремез (Remiz pendulinus) - Прилож. 3; Черноголовая гаичка (Parus palustris) - Прилож. 3; Московка (Parus ater) - Прилож. 3; Хохлатая синица (Parus cristatus) - Прилож. 3; Чиж (Spinus spinus) - Прилож. 3; Снегирь (Pyrrhula pyrrhula) - Прилож. 3; Садовая овсянка (Emberiza hortulana) - 2; Выхухоль (Desmana  moschata) - 1; Бурозубка малая (Sorex  minutus) - Прилож. 3; Кутора обыкновенная (Neomys  fodiens) - Прилож. 3;  Вечерница  гигантская (Nyctalus  lasiopterus) - 3; Кожан двухцветный (Vespertilio  murinus) - 4; Ночница прудовая (Myotis  dasycneme) -Прилож. 3; Нетопырь-карлик (Pipiatrellus pipistrellus) - Прилож. 3; Лесной нетопырь (Pipiatrellus nathusii) - Прилож. 3; Рысь (Felis lynx) - Прилож. 3; Норка европейская (Mustela  lutreola) - 1; Выдра речная (Lutra  lutra) - 2; Сурок обыкновенный (байбак) (Marmota  bobac) - 5; Соня лесная (Dryomys  nitedula) - 3; Мышь желтогорлая (Apodemus  flavicollis) - 2; Зубр  европейский (Bison  bonasus) - 1.

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 628 зубров, из них 71 телёнок-сеголеток по данным 2023 года. С учётом соседних популяций зубров национального парка «Угра» и заповедника «Калужские засеки» общей численностью более чем 400 зубров (по данным калужских СМИ), мы можем с уверенностью говорить о том, что на текущий момент времени Среднерусская популяция зубра перешагнула рубеж в 1000 особей. Данный факт означает, что Российская Федерация приблизилась к максимально положительному сценарию новой Стратегии сохранения зубра в России, а также в очередной раз подтверждает успешность проекта по восстановлению дикого зубра в природе.

Пока ни одна из существующих вольноживущих группировок зубра не соответствует стандарту «жизнеспособной популяции» МСОП и классическому правилу популяционной генетики. В настоящее время достаточным потенциалом (как по численности, так и по уровню генетического разнообразия) для достижения состояния стабильной, жизнеспособной популяции обладает только Среднерусская популяция (Стратегия, 2021). При этом стоит отметить, что «ядром» Среднерусской популяции являются зубры национального парка «Орловское полесье».

Национальный парк «Орловское полесье» включился в работу по восстановлению зубра в природе в 1996г. В 1998 г. родился первый зубренок. В период с 1996 по 2001гг. в Орловское полесье было завезено 65 особей зубра из различных центров разведения мира и отечественных питомников, что позволило впервые максимально сосредоточить весь мировой генофонд зубра в одной популяции. 

Наличие сравнительно крупных лесных участков на территории национального парка «Орловское полесье» в условиях дефицита подходящих для обитания зубра угодий в стране сыграло решающую роль при выборе места для начала работы по созданию вольноживущей популяции зубра. Еще при изучении пригодности территории Орловского полесья для создания вольноживущей популяции зубраучитывались перспективы ее выхода зубров за пределы национального парка – в лесные угодья Калужской и Брянской областей. Как и предполагалось, зубры в первый же год после выпуска вышли за пределы национального парка. В настоящее время площадь угодий, освоенных орловскими зубрами, включая земли национального парка и прилегающие земли Брянской и Калужской областей, составляет в общей сложности 112 076 га (включая и территорию Карачевского заказника).

Поскольку освоенный зубрами участок практически никак не ограничен, логично ожидать увеличения его площади за счет освоения зубрами новых местообитаний для естественного поддержания оптимальной плотности, что логично вызывает увеличение затрат ООПТ на мониторинг, охранные и биотехнические мероприятия.

За 27 лет развития орловская популяция зубров выросла более чем в 8,5 раз. Она успешно развивается, сохраняет положительную динамику численности, имеет реальные перспективы для дальнейшего роста. В настоящее время эта популяция является одной из крупнейших в мире и первой по численности в Центральной России.

Сохранение и восстановление зубра в природе по-прежнему невозможно без участия человека. До сих пор не определен действенный алгоритм решения этой задачи на  государственном уровне. Поэтому актуальность, сложность работы по сохранению зубра в природе не вызывает сомнений и требует постоянной финансовой поддержки.

С 2011 года для контроля вольной популяции зубров используются методы дистанционного мониторинга с применением радио-ошейников и средств дистанционного сопровождения различных конструкций, фоторегистрирующего оборудования и  БЛА.