Животный мир национального парка включает 84% видового разнообразия фауны Калужской области. На сегодняшний день на территории парка насчитывается более 300 видов позвоночных животных, 20% которых обитает здесь на границе своего ареала. Расположение территории на стыке разных природных зон определяет смешанный характер фауны, что обеспечивает высокую степень биологического разнообразия.
Всего выявлено 2 вида круглоротых, 34 вида рыб, 11 видов земноводных, 5 видов пресмыкающихся, 221 вид птиц (25% – пролетные) и 66 видов млекопитающих. Около 40% животных размножаются на территории парка.
Наиболее обычными и характерными для парка видами млекопитающих являются обитатели смешанных лесов – лось, благородный олень, европейская косуля, кабан, лесная куница, белка, заяц-беляк. По данным зимних маршрутных учетов, численность лосей и оленей в последние годы увеличилась в 3 и 6,5 раз соответственно (это связано, вероятно, с зарастанием сельхозугодий и охраной территории). Среди грызунов в лесах преобладают рыжие полевки и желтогорлые мыши. Из насекомоядных наиболее многочисленны бурозубки (обыкновенная, малая, равнозубая и средняя).
Из птиц в лесах национального парка в течение всего года обычны следующие виды: тетеревятник, рябчик, серая неясыть, большой пестрый дятел, ворон, сойка, сорока, желтоголовый королек, рябинник, певчий дрозд, большая синица, лазоревка, буроголовая гаичка, обыкновенный поползень, обыкновенная пищуха, чиж, обыкновенный дубонос. Зимой в хвойных лесах часто можно встретить обыкновенного клеста. В летний период к ним добавляются перелетные виды: перепелятник, канюк, вальдшнеп, вяхирь, обыкновенная кукушка, черный cтpиж, лесной конек, обыкновенная иволга, лесная завирушка, пеночки весничка, теньковка и трещетка, зеленая пересмешка, черноголовая славка, мухоловка-пеструшка, серая мухоловка, черный дрозд, дрозд-белобровик, певчий дрозд, обыкновенный соловей, зяблик, зарянка, крапивник. Из редких видов птиц следует отметить черного аиста, за гнездом которого в течение нескольких лет ведется наблюдение с помощью фотоловушки.
Из рептилий в лесах часто можно встретить живородящую ящерицу, из земноводных – серую жабу, травяную и остромордую лягушку, а также тритона обыкновенного.
С 2014 года в широколиственных лесах Березичского лесничества реализуется проект по реинтродукции самого крупного копытного Европы – зубра, занесённого в региональную, федеральную Красные книги и список животных Международного союза охраны природы (МСОП). За восемь лет было завезено 52 особи. По данным учета 2021 года, группировка зубров, сформировавшаяся на стыке Козельского и Ульяновского районов, насчитывает около 100 голов, а вся среднерусская популяция, которая включает также животных Орловской и Брянской областей, насчитывает их более 800.
Второе место по видовому разнообразию в парке занимают водно-болотные угодьяс лугово-полевыми стациями. Среди околоводных животных обычны бобр, американская норка, водяная полёвка, обыкновенная кутора. Впервые для Калужской области на территории парка обнаружена малая кутора. В луговых биотопах многочисленны обыкновенная полевка, полевка-экономка.
Для водно-болотных угодий парка характерны следующие виды птиц: серая цапля, белолобый гусь, кряква, свиязь, чирок-свистунок, чирок-трескунок, хохлатая чернеть, красноголовый нырок, гоголь, обыкновенный перепел, коростель, фифи, малый зуек, перевозчик, бекас, озерная чайка, речная крачка, черная крачка, белокрылая крачка, береговая ласточка, полевой жаворонок, желтая трясогузка, обыкновенный сорокопут, болотная камышевка, камышевка-барсучок, болотная камышевка, серая славка, луговой чекан, обыкновенная зеленушка, обыкновенная чечетка, обыкновенная чечевица, обыкновенная овсянка, тростниковая овсянка.
Из рептилий по берегам водоемов обычен уж обыкновенный, из земноводных – прудовая и озерная лягушки.
В озерах парка, представленных в основном старицами р. Жиздры, типичными представителями ихтиофауны являются: золотой карась, ротан, вьюн, линь. Уклейку, верховку, окуня речного, щуку, плотву, леща, серебряного карася, красноперку часто можно встретить не только в озерах, но и в реках. Характерными речными видами рыб являются: быстрянка, жерех обыкновенный, волжский подуст, голавль обыкновенный, елец обыкновенный, пескарь обыкновенный, уклейка обыкновенная, густера обыкновенная, чехонь, обыкновенный гольян, горчак, усатый голец, налим, ёрш обыкновенный, сом, обыкновенный подкаменщик. Белоглазка обитает в парке только в р. Жиздре, где является субдоминантом среди промысловых видов рыб.
В пойменных озерах обитает русская выхухоль – эндемик России, краснокнижный вид, включенный также в список МСОП. По данным 2017 года, эта крупная (в масштабах общей численности животного) группировка насчитывала более 300 особей.
Среди позвоночных наименее изученными остаются рукокрылые. Исследования последних лет подтвердили обитание в парке 8 видов (из 14 возможных), в т.ч. редкой для России вечерницы малой.
Из позвоночных животных, обитающих на территории парка, в список охраняемых видов Калужской области, включены 1 вид круглоротых, 4 вида рыб, 2 вида амфибий, 1 вид пресмыкающихся, 62 вида птиц, 16 видов млекопитающих. 27 видов занесены в Красную книгу России: чернозобая гагара, красношейная поганка, черный аист, белоглазый нырок, серый гусь, пискулька, скопа, степной лунь, орлан-белохвост, большой подорлик, малый подорлик, орел-могильник, беркут, змееяд, сапсан, кобчик, филин, кулик-сорока, большой кроншнеп, шилоклювка, клуша, малая крачка, обыкновенная горлица, сизоворонка, дубровник, выхухоль русская, зубр.
Фауна беспозвоночных в границах парка, по предварительным оценкам, насчитывает несколько тысяч видов (из них на сегодня выявлено около 1,5 тысяч чешуекрылых). Среди изученных видов 6 занесены в Красную книгу России: стрекоза дозорщик император — Anax imperator, жуки жужелица менетрие — Carabus menetriesi, скромный рогачик — Ceruchus chrysomelinus, весенний навозник — Trypocopris vernalis, обыкновенный отшельник — Osmoderma barnabita, бабочка обыкновенный аполлон — Parnassius apollo; 145 видов отнесены к регионально редким. Особенности долины реки Жиздры в границах национального парка предопределили существование здесь крупного пролетного пути водоплавающих, околоводных и хищных птиц, а также присутствие целого ряда редких, малочисленных и скрытных видов. «Долина Жиздры» – ключевая орнитологическая территория (КОТР) международного значения (код КЖ-001). Еще одна территория международного статуса «Тишская даль» (КЖ-008) находится в пойме р. Оки. В границах парка также выделены КОТР регионального значения – «Галкинское болото» и «Залидовские луга».