บริเวณอุทยานแห่งชาติเขาสามร้อยยอดมีความหลากหลายของสัตว์ป่า โดยเฉพาะนกซึ่งมีมากถึง 316 ชนิด ประกอบด้วยนกที่อาศัยประจำถิ่นและที่ย้ายถิ่นมาจากที่อื่นตามฤดูกาล และเป็นสถานที่เพียงไม่กี่แห่งของประเทศไทยที่นกกระสาแดง สร้างรังวางไข่ รวมทั้งมีเป็ดแดงอาศัยอยู่ตลอดปี เช่นเดียวกับนกอัญชันอกเทา นกอัญชันคิ้วขาว และนกอีโก้ง

สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมขนาดใหญ่ที่พบในอุทยานแห่งชาติเขาสามร้อยยอดมีน้อยมาก ที่มีอยู่ส่วนใหญ่เป็นสัตว์ที่หากินกลางคืนและสัตว์ที่ขุดรูอยู่ใต้ดินในทุ่ง ได้แก่ เลียงผา เก้ง กระจงเล็ก หมูป่า ลิงลม ลิงแสม ค่างแว่นถิ่นใต้ อีเห็น พังพอนธรรมดา หรือ พังพอนเล็ก เม่น ชะมด ค้างคาว หนูพุกใหญ่ หนูท้องขาว ค้างคาวมงกุฏมลายู และชนิดที่น่าสนใจที่พบในน่านน้ำชายฝั่งทะเลบริเวณนี้คือ โลมาหัวบาตร สำหรับสัตว์เลื้อยคลานและสะเทินน้ำสะเทินบกที่พบได้แก่ เต่าเหลือง เต่าหับ เต่าดำ กิ้งก่าบินปีกส้ม หรือ กิ้งก่าบินปีกจุด กิ้งก่าหัวแดง กิ้งก่าสวน จิ้งเหลนบ้าน เหี้ย งูเหลือม งูเห่า งูกะปะ งูสิงธรรมดา งูเขียว คางคกบ้าน เขียดหลังปุ่ม กบหนอง กบน้ำเค็ม อึ่งขาคำ อึ่งอ่างบ้าน เขียดบัว หรือ เขียดจิก

ปลาและสัตว์น้ำอื่นๆ ไม่น้อยกว่า 45 ชนิด ได้แก่ ปลาช่อน ปลาดุกด้าน ปลานิล ปลาซิว ปลาตะเพียนขาว ปลาไหล ปลาทู ปลาลัง ปลากระบอก ปลากระเบน ปลาตีน กุ้งแชบ๊วย หมึกกล้วย ปูแป้น ปูม้า หอยโข่ง หอยขม หอยแมลงภู่ เป็นต้น นอกจากนี้ยังมีสัตว์ประเภทอื่นๆ อีกมากมาย เช่น ผีเสื้อหางติ่งธรรมดา ผีเสื้อเณรจิ๋ว แมลงปอ ยุงน้ำจืด ตั๊กแตนหนวดสั้น จิ้งหรีด มวนแดง และแมลงดา เป็นต้น