Променепері
Значна площа акваторій заповідника (близько 30% від його загальної площі) обумовила багатство рибного населення цих водойм. З 54 видів риб, які відмічаються в Дніпровському водосховищі, у водоймах заповідника за час його існування зареєстровано 41 вид риб, які відносяться до 13 родин. Створення заповідника позитивно вплинуло на процес збереження та відтворення іхтіофауни регіону. Найбільшим видовим складом та чисельністю риб відрізняються водойми Таромського уступу та руслової частини Дніпра. Значну роль водойми заповідника відіграють у відтворенні та нагулі молоді риб всієї верхньої ділянки Дніпровського водосховища, оскільки інші заплавні системи верхів'я водосховища зазнали значної антропогенної трансформації. Найпоширеніші у водоймах заповідника щука, плітка, бобирець, краснопірка, верхівка, лин, верховодка, плоскирка, лящ, гірчак, карась сріблястий, щипавка, судак, окунь, бичок-цуцик. Тут мешкають такі види, як ялець, бобирець, підуст, синець, чехоня, миньок та колючка триголкова, що входять до Червоного списку Дніпропетровської області, трапляється стерлядь — вид, занесений до Червоної книги України.
Земноводні і плазуни
Для земноводних природні умови заповідника є оптимальними. Тут мешкають тритон гребінчастий, кумка червоночерева, часничниця звичайна, ропуха зелена, райка деревна, жаба гостроморда і інші. Із плазунів трапляються черепаха болотяна, ящірка прудка, вуж звичайний і водяний, а з рідкісних видів — мідянка і гадюка степова.
Різноманіття птахів
Найбільшим видовим різноманіттям хребетних відрізняється орнітофауна. За період існування заповідника за матеріалами інвентаризації на його території відмічено перебування 171 виду птахів із 45 родин, 16 рядів. За характером перебування на території заповідника вони поділяються на пролітних — 16 видів, зимуючих — 14, гніздуючих з невстановленим статусом перебування — 151 вид. Територія заповідника є місцем концентрації птахів на гніздуванні та в період сезонних міграцій. Частка навколоводних та водно-болотних птахів із загального числа видів становить 35% , хижих птахів — 9%, інших — 56%. Найповніше тут представлені горобцеподібні — їх зареєстровано 75 видів.
На сьогодні в заповіднику відмічено 10 видів птахів, які занесені до Червоної книги України, 2 види — з Європейського Червоного списку, 29 видів — рідкісні та зникаючі птахи, котрі підлягають охороні в межах Дніпропетровської області. В заплавній частині заповідника мешкає найбільша в регіоні колонія сірої чаплі. Із червонокнижних птахів тут охороняються орлан-білохвіст, скопа, змієїд, гоголь, чернь білоока, коловодник ставковий, кулик-сорока, журавель сірий. Дніпровсько-Орільська заплава віднесена до водно-болотних угідь міжнародного значення.
Розмаїття ссавців
На сьогодні у межах заповідника виявлено 38 видів ссавців (5 видів комахоїдних, 6 — кажанів, 9 — хижих, 1 — зайцеподібних, 13 — мишоподібних та 4 — копитних). Серед них — 6 видів занесено до Червоної книги України: вечірниця велетенська, вечірниця мала, борсук звичайний, горностай, видра річкова, мишівка південна.
Тут охороняються також 22 види тварин, що підлягають особливій охороні і занесені до 2 додатку Бернської конвенції.
Із аборигенних видів у заповіднику мешкають їжак білочеревий, вовк, лисиця руда, заєць сірий, бобер європейський, свиня дика, сарна європейська та лось звичайний, з інтродукованих видів — єнот уссурійський, ондатра, вивірка лісова та олень плямистий.