เขตรักษาพันธุ์สัตว์ป่าโตนงาช้างมีสัตว์ป่าอาศัยอยู่มากมาย ซึ่งแยกประเภทได้ดังนี้

• สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม มี 85 ชนิด จาก 27 วงศ์ 10 อันดับ วงศ์กระรอกมีจำนวน 15 ชนิดรองลงมา ได้แก่ วงศ์ชะมด วงศ์ค้างคาวกินผลไม้ มีจำนวน 9 และ 8 ชนิด ตามลำดับ ค้างคาวมี 5 วงศ์ 18 ชนิดในบรรดาค้างคาวกินผลไม้ประกอบไปด้วยค้างคาวขอบหูขาว 3 ชนิด ค้างคาวขอบหูดำมี 1 ชนิด ค้างคาวหน้ายาว 1 ชนิด ค้างคาวเล็บกุด 1 ชนิด กระรอก 4 ชนิด กระรอกหางม้า 3 ชนิด พญากระรอกบิน 2 ชนิด สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมขนาดใหญ่ที่ได้ถูกประกาศไว้ในบัญชีสัตว์สงวน ตามพระราชบัญญัติสงวนและคุ้มครองสัตว์ป่า พ.ศ.2535 จำนวนสองชนิด ได้แก่ สมเสร็จ และเลียงผา นอกจากสัตว์ที่เป็นสัตว์ป่าสงวนแล้วยังมีสัตว์ป่าชนิดที่หายากอีกหลายชนิด อาทิ เช่น ช้าง เสือโคร่ง ลิงกัง สัตว์ป่าที่ใกล้จะสูญพันธุ์จำนวน 13 ชนิด ได้แก่ ชะนีมือขาว กระรอกหางม้าใหญ่ ชะมดแปลงลายแถบ อีเห็นลายเสือโคร่ง เสือลายเมฆ เป็นต้น

• สัตว์ปีก จำพวกนก ได้แก่ มีจำนวน 209 ชนิด ใน 42 วงศ์ เช่นนกในวงศ์นกปรอด วงศ์นกกระจิบ และวงศ์นกกินปลี นกโพระดกพบจำนวน 8 ชนิด

- วงศ์ที่พบจำนวน 7 ชนิด มี 2 วงศ์ ได้แก่ วงศ์นกกางเขนน้อย และวงศ์นกกางเขน

- วงศ์ที่พบจำนวน 6 ชนิด มี 4 วงศ์ ได้แก่ วงศ์นกเหยี่ยว วงศ์นกกระเต็น วงศ์นกเงือก และวงศ์นกกาฝาก

- วงศ์ที่พบจำนวน 5 ชนิด มี 3 วงศ์ ได้แก่ วงศ์นกแอ่น วงศ์นกขมิ้นน้อย และวงศ์นกแซงแซว

- วงศ์ที่พบจำนวน 3 ชนิด มี 8 วงศ์ ได้แก่ วงศ์ไก่ป่า วงศ์นกเขา วงศ์นกหก วงศ์นกขุนแผน วงศ์นกแสก วงศ์นกจาบค้า วงศ์นกกา และวงศ์นกกะติ๊ด

- วงศ์ที่พบจำนวน 2 ชนิด มี 7 วงศ์ ได้แก่ วงศ์นกแต้วแล้ว วงศ์นกแอ่นฟ้า วงศ์นกเด้าลม วงศ์นกอีเสือ วงศ์นกขมิ้น วงศ์นกขุนทอง และวงศ์นกนางแอ่น

- วงศ์ที่พบจำนวน 1 ชนิด มี 9 วงศ์ ได้แก่ วงศ์นกยาง วงศ์เยี่ยวปีกแหลม วงศ์นกคุ่ม วงศ์นกปากกบ วงศ์นกตะขาบ วงศ์นกเขียวคราม วงศ์นกติ๊ด วงศ์นกไต่ไม้ และวงศ์นกแว่นตาขาว

ในจำนวนที่สำรวจพบมีสภาพที่ใกล้จะสูญพันธุ์อยู่ 4 ชนิด ได้แก่ ไก่ฟ้าหน้าเขียว นกเงือกหัวหงอก นกเงือกดำ และ นกชนหิน

• สัตว์สะเทินน้ำสะเทินบก มีจำนวน 18 ชนิด ใน 5 วงศ์ วงศ์ที่พบจำนวนชนิดที่มากที่สุดคือ

- วงศ์กบต่างๆ มีจำนวน 7 ชนิด โดยส่วนใหญ่อยู่ในสกุล Rana จำนวน 6 ชนิด

- วงศ์อึ่งต่างๆ มีจำนวน 6 ชนิด

- วงศ์คางคก มีจำนวน 3 ชนิด

- วงศ์อึ่งกราย มีจำนวน 1 ชนิด

- วงศ์ปาดโลกเก่า มีจำนวน 1 ชนิด

• สัตว์เลื้อยคลาน มี 43 ชนิด ใน 10 วงศ์ กลุ่มตุ๊กแก วงศ์กิ้งก่า และจิ้งเหลน มีจำนวน 4 วงศ์ 20 ชนิด กลุ่มเต่าและตะพาบมีจำนวน 3 วงศ์ 8 ชนิด ส่วนกลุ่มงูต่างๆ มีจำนวน 4 วงศ์ 15 ชนิด