จากการสำรวจและการตรวจสอบเอกสารต่างๆ พบว่าเขตรักษาพันธุ์สัตว์ป่าห้วยขาแข้งนี้มีสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอยู่ถึง 130 ชนิดพันธุ์ ซึ่งในจำนวนนี้จัดเป็นสัตว์ป่าสงวนตาม พ.ร.บ.สงวนและคุ้มครองสัตว์ป่า พ.ศ.2535อยู่ถึง 5 ชนิด ได้แก่ ควายป่า สมเสร็จ เลียงผา เก้งหม้อ และแมวลายหินอ่อน  
 

           เขตรักษาพันธุ์สัตว์ป่าห้วยขาแข้ง จัดได้ว่าเป็นแหล่งที่พบนกมากแห่งหนึ่งทางภาคพื้นเอเชีย จากการสำรวจและรวบรวมเอกสารพบว่า มีอยู่ถึง 412 ชนิดพันธุ์ ซึ่งมากกว่าหนึ่งในสามของนกทั้งหมดที่ค้นพบแล้วในประเทศไทย โดยพบนกที่ใกล้จะสูญพันธุ์ที่ขึ้นในบัญชี Red Data Book ซึ่งเป็นข้อมูลรวบรวมใน International Birds Areas (IBA) จำนวน 11 ชนิด คือ นกกระทุง นกฟินฟุท นกตระกรามเหยี่ยวเล็กตะโพกขาว นกพรานผึ้ง นกเค้าหน้าผากขาว นกเงือกกรามช้างปากเรียบ นกเงือกคอแดง นกจับแมลงอกสีน้ำตาลอ่อน นกยูง และนกขมิ้นขาว ในจำนวนนกที่ปรากฏในบัญชีรายชื่อนกป่าของเขตรักษาพันธุ์สัตว์ป่าแห่งนี้ หลายชนิดจัดได้ว่าเป็นนกที่ถูกบีบคั้นจากมนุษย์จนกลายเป็นนกที่กำลังจะสูญพันธุ์ เช่น เหยี่ยวทุ่ง เหยี่ยวรุ้ง พญาแร้ง นกเค้าเหยี่ยว นกเค้ากู่ นกเงือกกรามช้าง นกเงือกคอแดง นกแก๊ก นกกก นกหัวขวาน เป็นต้น ส่วนนกยูงจัดว่าเป็นสัตว์ป่าที่กำลังจะสูญพันธุ์

             เขตรักษาพันธุ์สัตว์ป่าห้วยขาแข้ง จัดได้ว่าเป็นแหล่งพักของนกที่โยกย้ายถิ่นหลายชนิดด้วยกัน ในช่วงที่เขตอบอุ่นและเขตหนาวในซีกโลกเหนือเป็นฤดูหนาวนับจากเดือนพฤศจิกายน ไปจนถึงเดือนมีนาคม นกเล็ก ๆ หลายชนิดได้โยกย้ายถิ่นลงมาหากินในเขตรักษาพันธุ์สัตว์ป่าแห่งนี้ ที่สำรวจพบเช่น นกกระเต็นหัวดำ นกอุ้มบาตร นกเด้าลม นกอีวาบตั๊กแตน นกเด้าดิน เป็นต้น
 

           เนื่องจากเขตรักษาพันธุ์สัตว์ป่าห้วยขาแข้ง มีพื้นที่กว้างใหญ่ และมีอาณาเขตติดต่อกับพื้นที่อนุรักษ์อื่นๆ โดยรอบ และลักษณะภูมิประเทศที่มีความแตกต่างกันภายในพื้นที่ ทำให้เป็นที่รวมของสัตว์เลื้อยคลาน หลายชนิด จากการสำรวจที่ผ่านมาพบแล้ว 81 ชนิด เป็นสัตว์เลื้อยคลานที่ไม่เคยพบในประเทศไทยมาก่อน 3 ชนิด ได้แก่ เต่าห้วยดำ ตุ๊กแกทะวาย และจิ้งเหลนภูเขาอินเดีย สำหรับสัตว์เลื้อยคลานที่หายาก และชนิดที่ถูกทำลายจนกำลังจะกลายเป็นสัตว์ป่าที่กำลังสูญพันธุ์ไป แต่พบในพื้นที่ ได้แก่ กิ้งก่าเขาหนามยาว กิ้งก่าหัวสีฟ้า กิ้งก่าแก้ว เต่าหก เต่าเดือย ตุ๊กแกบินหางหยัก ตะกวด และตะพาบแก้มแดง นอกจากนี้ยังมีสัตว์จำพวกงู ได้แก่ งูจงอาง งูเหลือม งูหางมะพร้าว ซึ่งสัตว์ป่าเหล่านี้จัดเป็นสัตว์ป่าคุ้มครองตาม พ.ร.บ.สงวนและคุ้มครองสัตว์ป่า พ.ศ.2535

            จากการสำรวจและรวบรวม พบว่ามีสัตว์สะเทินน้ำสะเทินบกจำนวน 37 ชนิด ซึ่งมีหลายชนิดที่สำคัญ และกำลังจะถูกทำลายจนกลายเป็นสัตว์ป่าที่กำลังจะสูญพันธุ์ ได้แก่ จงโคร่งและกบทูด นอกจากนี้ยังมีชนิดที่สำคัญเป็นสัตว์ป่าคุ้มครองตาม พ.ร.บ.สงวนและคุ้มครองสัตว์ป่า พ.ศ.2535 อีก 2 ชนิด ได้แก่ คางคกแคระ และคางคกหัวเดือย

           จากการสำรวจปรากฏว่าพื้นที่แห่งนี้มีปลาน้ำจืด อยู่ถึง 105 ชนิด โดยมีชนิดที่ยังไม่มีรายงานพบในประเทศไทยอยู่ 9 ชนิด ปลาหลายชนิดจัดเป็นปลาที่หายากในแหล่งน้ำธรรมชาติ เช่น ปลาสลาด ปลาเค้า ปลาเลียหิน จากการสำรวจมีชนิดพันธุ์ปลาอย่างน้อย 8 ชนิด เป็นปลาชนิดใหม่ในลุ่มน้ำแม่กลอง ได้แก่ ปลาใน สกุล Acantopsis 1 ชนิด สกุล Cavasius อีก 1 ชนิด