Положение территории заповедника на стыке двух физико-географических зон и долинный рельеф сформировали здесь многообразие растительных сообществ, которое обеспечивает условия для поддержания высокого уровня видового разнообразия беспозвоночных животных.
Во многом фауна беспозвоночных остается малоизученной. Для изучения структуры и состава фауны беспозвоночных в заповеднике регулярно проводятся исследования отдельных групп беспозвоночных. Итогом таких работ являются аннотированные списки видов для беспозвоночных животных.
Так в заповеднике уже зарегистрировано 336 видов пауков и 620 видов бабочек, не менее 30 видов прямокрылых (кузнечики и саранчёвые), 914 видов жесткокрылых (жуков).
Так как жуки хороший индикатор состояния наземных экосистем то в заповеднике проводятся регулярные наблюдения за численностью и составом жужелиц.
Разнообразен мир и гидробионтов — животных, обитающих в реках, ручьях, родниках, озерах и прудах заповедника. Зообентос исследованных водоемов и водотоков насчитывает в общей сложности 155 видов, групп видов и форм донных беспозвоночных. По количеству видов в группах к массовым относились олигохеты (малощетинковые кольчатые черви), представители различных отрядов класса насекомые (ручейники, поденки, двукрылые), а также двустворчатые и брюхоногие моллюски. Наибольшее разнообразие характерно для р. Тоденка.
Зоопланктон исследованных водоемов и водотоков насчитывает в общей сложности 45 видов, групп видов и форм планктеров, из которых: 18 видов — коловраток, 16 — ветвистоусых и 11 — веслоногих раков.
Современная фауна позвоночных животных заповедника представлена 17 видами костных рыб, 10 видами амфибии, 5 видами рептилий, 151 видами птиц, 57 видами млекопитающих.
В границах заповедника (заповедного ядра Приокско-Террасного биосферного резервата встречается 151 вид птиц. Из них достоверно гнездящихся 96 видов, вероятно гнездящихся 15 и возможно гнездящихся 8. В зимний период в заповеднике встречен 61 вид птиц.
Практически вся территория заповедника занята лесами, поэтому большинство птиц приурочено к лесным комплексам, а именно к таёжным и широколиственным лесам западного типа.
Типичными представителями таёжного фаунистического комплекса в заповеднике являются: глухарь, рябчик, желна, желтоголовый королёк, дрозды (деряба, белобровик, рябинник,) чиж, клёст-еловик, снегирь.
Представителями широколиственных лесов западного типа являются следующие виды птиц: зелёный дятел, иволга, чёрный дрозд, зелёная пересмешка, мухоловка-пеструшка, мухоловка-белошейка, славка-черноголовка, обыкновенная зеленушка.
Наиболее многочисленны в заповеднике воробьинообразные птицы. Большинство этих птиц характеризуется мелкими и средними размерами, их жизнь тесно связана с разнообразной древесной и кустарниковой растительностью.
Из них наиболее часто встречаются следующие виды:
- зяблик
- мухоловка-пеструшка
- большая синица
- зарянка
- лесной конёк
- крапивник
- пеночка-трещотка
- пеночка-теньковка
- певчий дрозд
- черный дрозд
Поскольку заповедник занимает небольшую, преимущественно лесную территорию, не все птицы региона встречаются в пределах его границ. Значительное число водоплавающих птиц и куликов встречены непосредственно у границ заповедника, в охранной зоне или зоне сотрудничества, в долине Оки. Здесь отмечено ещё 55 видов птиц, преимущественно открытых, водных и околоводных местообитаний, которые не встречаются на заповедной территории.
Таким образом, всего в Приокско-Террасном биосферном резервате за последние 40 лет отмечено присутствие 206 видов птиц.
Современная фауна млекопитающих заповедника (в дикой природе) насчитывает 57 видов, относящихся к 6 отрядам: 9 видов насекомоядных, 10 видов рукокрылых, 2 вида зайцеобразных, 17 видов грызунов, 13 видов хищных животных и 6 видов парнокопытных.
Представители отряда «Насекомоядные», в основном, обитатели лесной подстилки и верхнего горизонта почв. Самый многочисленный вид среди них (и среди всех млекопитающих заповедника) — обыкновенная бурозубка, а самый крупный — южный еж. По образу жизни отличаются кутора и крот.Кутора или, как ее иногда называют — водяная землеройка, отлично плавает и ведет околоводный образ жизни. Крот — подземник. Он важный компонент биоценозов заповедника, т.к. является средообразователем. Ходами, проложенными им в почве, пользуются многие обитатели заповедника, в том числе землеройки, полевки и мыши.
Рукокрылые, наряду с птицами, важны как компоненты воздушного пространства экосистем заповедника. Все 10 видов рукокрылых приносят потомство в заповеднике или его ближайших окрестностях. Это подтверждает роль Приокско-Террасного заповедника, как территории, важной для сохранения фауны рукокрылых в регионе.
Из 2 видов зайцеобразных преобладает заяц-беляк. Заяц-русак, как обитатель открытых ландшафтов, встречается преимущественно в охранной зоне, где преобладают луга.
Среди грызунов наиболее многочисленны мышевидные, а среди них рыжая полевка. Обычны лесная и желтогорлая мыши. Значительно уступает мышевидным по численности белка и, особенно, орешниковая соня. Последний вид занесен в Красную книгу Московской области. Несмотря на свою малочисленность, встречи этого зверька в заповеднике регулярны. Самый крупный грызун — обыкновенный бобр. Он был реинтродуцирован в заповедник после его 400 летнего отсутствия в Серпуховских землях. В настоящее время бобр занял практически все пригодные для него местообитания заповедника — реки, ручьи и их побережья. Его деятельность привела к весьма существенной модификации водных экосистем заповедника, оказывая влияния на все их живые и неживые компоненты. К настоящему времени бобр в заповеднике обычен, его численность относительно стабилизировалась и дальнейший рост, как показали специально разработанные математические модели динамики численности, маловероятен.
Среди хищных наиболее обычны лисица, американская норка и лесная куница. Устойчиво обитают рысь, барсук, мелкие куньи. Выдра и волк периодически заходят в заповедник. Весьма негативно проникновение в заповедник бездомных собак и кошек.
Среди парнокопытных аборигенным видом является лось. Прочие виды: европейский и пятнистый олени, 2 вида косуль и кабан — интродуцированы в Московскую область. Сибирская косуля была интродуцирована непосредственно на территорию заповедника, а остальные виды самостоятельно вселились из ближайших охотхозяйств.
По лесорастительному районированию территория заповедника отнесена к подзоне теневых широколиственных лесов, а в системе геоботанического районирования — к подтаежной (хвойно-широколиственной) полосе. Это нашло свое отражение и на фауне млекопитающих. Среди млекопитающих Приокско-Террасного заповедника есть таежные виды, например: крошечная бурозубка, рыжая полёвка, лесная мышовка, заяц беляк, рысь, лось и виды широколиственных лесов, например: крот, желтогорлая мышь, орешниковая соня, черный хорь, косули, олени.
Основная территория заповедника занята лесами, что обуславливает преобладание в фауне и населении млекопитающих лесных видов. Однако по опушкам, полянам, обочинам дорог и лугам встречаются открытоживущие виды: обыкновенная полевка, мышь-малютка, — в водно-прибрежных местообитаниях — околоводные виды (кутора, ондатра, водяная полевка, бобр, американская норка), а в населенных пунктах — склонные к синантропии (малая белозубка, домовая мышь, серая крыса).