На территории национального парка отмечены 304 вида наземных позвоночных животных: 71 вид млекопитающих, 212 — птиц, И — пресмыкающихся, 10 видов земноводных.

Ихтиофауна Самарской Луки насчитывает 68 видов и подвидов.

Не менее 30% размножающихся здесь видов наземных позвоночных животных обитают у границ своих ареалов. Наряду с широко распространенными видами преобладают виды европейских широколиственных и хвойно-широколиственных лесов — соня-полчок (Glis glis), лесная соня (Dryomys nitedula), желтогорлая мышь (Apodemus flavicollis), рыжая полевка (Clethrionomys glareolus), серая неясыть (Strix aluco), клинтух (Columba oenas), зеленый дятел (Picus viridis), мухоловка-белошейка (Ficedula albicollis) и др.). Много таежных видов, у которых здесь проходят южные границы ареалов — (лось (Alces alces), заяц-беляк (Lepus timidus), полевка-экономка (Mic-rotus oeconomus), летяга (Pteromys volans), длиннохвостая неясыть (Strix uralensis), мохноногий сыч (Aegolius funereus), глухарь (Terao urogallus), зеленая пеночка (Phylloscopus trochiloides) и др. В непосредственном соседстве с ними обитают такие «южные», степные полупустынные или/и пустынные виды, как обыкновенный слепыш (Spalax microphtalmus), обыкновенная слепушонка (Ellobius talpinus), малый суслик (Citellus pygmaeus), степная мышовка (Sicista subtilis), огарь (Tadorna ferrugiпеа), черноголовый хохотун (Larus ichtyaetus), домовой сыч (Athene noctua), полевой конек (Anthus campestris), болотная черепаха (Emys orbicularis), разноцветная ящурка (Eremias arguta), узорчатый полоз (Elaphe dione), водяной уж (Natrix tessellata). Некоторые виды находятся у западных рубежей их распространения: большой суслик (Citellus major), желтоспинная трясогузка (Motacilla lutea) и др.

В настоящее время в районе национального парка встречаются 10 видов позвоночных и 28 видов беспозвоночных животных, занесенных в Красную книгу Российской Федерации: скопа (Pandion haliaetus), орлан-белохвост (Haliaeetus albicilla), восковик-отшельник (Osmodernia eremita), альпийский усач (Rosalia alpina), дыбка степная (Saga pedo) и др. Жук-олень (Lucanus cervus), махаон (Papilio machaon), подалирий (Iphiclides podalirius), пчела-плотник (Xylocopa valga) в прошлом были занесены в Красную книгу СССР.