西双版纳自然保护区栖息着539种陆栖脊椎动物，鸟类429种，两栖动物47种，爬行动物68种，鱼类100种，分属18科54属。

其中亚洲象，兀鹫、白腹黑啄木鸟、金钱豹、印支虎属世界性保护动物。野象、野牛、懒猴、白颊长臂猿、印支虎、犀鸟等13种列为国家一类保护动物，绿孔雀、穿山甲、小熊猫、金猫、菲氏叶猴等15种，列为国家二类保护动物，小灵猫、灰头鹦鹉、鹰等24种，列为国家三级保护动物。