Фауна Парку налічує:
83 види морських безхребетних, 352 види (22 рідкісні) – комах, 57 (13 рідкісні) – риби, 4 – амфібій, 7 (3 – ЧКУ) – рептилій, 250 видів (69 – ЧКУ) – птахи, 30 видів ссавців (15 – рідкісних, із них 3 – морських ЧКУ)
Птахи
У складі орнітофауни парку найбільше птахів водно-болотного комплексу. Серед найбільш яскравих представників пелікан рожевий (Pelecanus onocrotalus), чапля жовта (Аrdeola ralloides), косар (Platalea leucorodia), коровайка (Plegadis falcinellus), казарка червоновола (Rufibrenta ruficollis), огар (Tadorna ferruginea), чернь білоока (Aythya nyroca), пухівка (Somateria mollissima), крех середній (Mergus serrator), гоголь (Bucephala clangula), кулик-сорока (Haematopus ostralegus), кулик-довгоніг (Himantopus himantopus), чоботар (Recurvirostra avosetta), кульон великий (Numenius arquata), лунь польовий (Circus cyaneus), лунь степовий (Circus macrourus), орлан-білохвіст (Haliaeetus albicilla). Усі вони занесені до ЧКУ. Крім того, на території парку мешкає велика кількість мартинів, крячків, лебедів.
Комахи
Багата фауна на рідкісних комах. Серед них: дибка степова (Saga pedo), махаон (Papilio machaon), подалірій (Iphiclides podalirius), скарабей священний (Scarabaeus sacer), сколія степова (Scolia hirta), бджола-тесляр (Xylocopa valga), джміль степовий (Bombus fragrans), мурашиний лев великий (Acanthaclisis occitanica), бражник малий винний (Deilephila porcellus).
Змії
У межах парку зустрічається сім видів плазунів, із них три занесені до ЧКУ й інших природоохоронних списків: гадюка степова (Vipera renard), полози жовточеревих (Hierophis caspius), і сарматський (Elaphe sauromates).
Ссавці
Острів населяють акліматизовані види ратичних тварин: олень благородний (Cervus elaphus), муфлон (Ovis ammon musimon), і лань європейська (Cervus dama). Зрідка трапляється кабан дикий (Sus scrofd). Дрібніші ссавці представлені такими видами: лисиця звичайна (Vulpes vulpes), собака єнотоподібний (Nyctereutes procyonoides), заєць сірий (Lepus europaeus), їжак білогрудий (Erinaceus concolor), землерийки. Серед морських ссавців зустрічаються три види китоподібних – афаліна (Tursiops truncates), білобочка (Dephinus delphis), азовка (Phocoena phocoena) – усі вони занесені до Червоної книги України.
Фауна моря
У Джарилгацкій затоці чимало рідкісних ракоподібних і молюсків, занесених до Червоної книги України: 5 видів крабів – волохатий (Pilumnus hirtellus), мармуровий (Pachygrapsus marmoratus), трав’яний (Carcinus aestuarii), кам’яний (Eriphia verrucosa), краб-плавунець (Macropipes holsatus), морський кріт (Upogebia pusilla), серед молюсків – устриця їстівна (Ostrea edulis).
13 видів рідкісних риб: серед них осетрові – севрюга (Acipenser stellatus), білуга (Huso huso ponticus); горбиль світлий (Umbrina cirrosa), морська голка (Syngnathus variegatus), морський коник (Hippocampus ramulosus). Окрім того, чисельними є рибні запаси кефалі, бичків, анчоусів, морських котів, тощо.