В области насчитываеся 19 видов млекопитающих и более 20 видов птиц: гуси, казарки, утки, глухарь, тетерев, рябчик, куропатка, перепел, лысуха, кулики. Численность зайца-русака подвержена резким колебаниям по годам. В целях усиления орловской популяции зайца-русака из Ростовской области была завезена партия русаков в количестве 150 особей и выпущена в Урицком районе. Заяц-беляк обитает в лесах. В связи с невысокой численностью из Новосибирской области было доставлено 55 зайцев-беляков, которых выпустили в Дмитровском районе, где они хорошо прижились. Численность лисицы в области резко снизилась из-за массового отстрела в связи с различными эпизоотиями (бешенство, чума лис, чесотка). Енотовидная собака завезена с Дальнего Востока. Причины резкого снижения численности животного в последние годы неясны. В области встречается каменная куница. Бобры хорошо прижились и их естественное расселение происходило по западных районам Орловской области на юг, а также на запад в охотничьи угодья Калужской и Брянской областей. Ведется ограниченный лицензионный промысел. Ондатра - крупная американская полевка, впервые акклиматизированная в Хотынецком районе. Хорошо прижилась и распространилась по области. Благородный европейский олень успешно акклиматизируется в области. Производились неоднократные завозы благородного оленя из Воронежского заповедника. В настоящее время обитает в нескольких районах. Численность косули, лося увеличивается в последние годы в результате охранных мероприятий. Ихтиофауна водоёмов области представлена 35 видами рыб, относящимися к 10 семействам, из них 27 видов имеют важное значение для спортивного и любительского рыболовства. Основу ихтиофауны представляет семейство карповых, которое насчитывает 21 вид. Это, в первую очередь, - карп, лещ, голавль, плотва, язь, жерех, щука. Промысел рыбы в реках области отсутствует, но развито спортивное и любительское рыболовство.
На территории «Орловского Полесья отмечены 203 вида позвоночных животных: 51 вид млекопитающих, 220 видов птиц, 5 видов пресмыкающихся, 11 видов земноводных, 17 видов рыб. Объекты животного мира, которые занесены в Красную книгу РФ, обитающие на территории национального парка: большой подорлик, малый подорлик, орел-змееяд, серый сорокопут, европейский средний (пестрый) дятел, аист черный, вечерница гигантская, русская выхухоль, зубр европейский.
Особого внимания заслуживает обитающий на территории парка эндемический вид фауны нашей страны – русская выхухоль, занесенная в Красную книгу еще в 1920 году. Тогда же и была запрещена охота на нее, так как этот вид массово истреблялся из-за меха и мускуса. Это редкое околоводное животное много времени проводит в воде, а также в норах на берегу водоемов. Выхухоль всеядна, но предпочитает мелких животных, молюсков, пиявок, насекомых. За сутки животное съедает столько, сколько весит само. Причина резкого сокращения этого вида животных заключается не только в их истреблении, но и в деградации мест их обитания: осушение, обмеление и заиливание пойменных водоемов, исчезновение на берегах древесно-кустарниковой растительности, дающей во время паводков возможность спасения. На территории национального парка «Орловское Полесье» в заповедной и особо охраняемой зонах созданы все условия для реинтродукции выхухоли. В них допускается только строго контролируемое посещение и запрещена хозяйственная деятельность. Работа по восстановлению этого редчайшего вида в бассейне реки Вытебеть началась с завоза 20 особей русской выхухоли в 1996 году.
Своеобразной визитной карточкой «Орловского Полесья» является зубр европейский, занесенный в Красную книгу РФ. Изучение, охрана и контроль популяции европейского зубра в рамках программы сохранения этих животных в России является основным направлением научной деятельности национального парка. Создано три вольноживущих группы зубров общей численностью около 180 животных. На сегодня «Орловское Полесье» - один из лидеров по количеству зубров среди организаций, занимающихся проблемой восстановления популяции этого вида животных.
Уникален тот факт, что на территории парка наряду с типично таежными видами животных и птиц (глухарь, рябчик, черный дятел) встречаются представители степной фауны (крапчатый суслик, серая куропатка, перепел, щурка золотистая). Значительное место занимают лесные виды: лось, благородный олень, косуля, речной бобр, волк, заяц-беляк, лисица.
Орнитофауна национального парка насчитывает 147 гнездящихся видов из них 45 редкие, 9 встречаются единичными парами. В Орловской области только в лесах Хотынецкого и Знаменского районов сохранились глухарь и рябчик.
Для посетителей в парке создан вольерный зоопарк, в котором можно увидеть более 30 видов различных животных и птиц. Животные содержатся в открытых вольерах. Гуанако, страусы, муфлоны и верблюды совершенно нетипичны для этих мест, но прекрасно акклиматизировались, приводят в восторг детвору, посещающую зоопарк.