W puszczy stwierdzono obecność ponad 12 tys. gatunków zwierząt, a szacuje się, że rozpoznano faunę tylko w 50%! Występuje tam 58 gatunków ssaków, 250 ptaków, 7 gadów (m.in. żółw błotny i gniewosz plamisty), 13 płazów, 32 ryb, ponad 9000 owadów, 331 pająków, 20 pijawek. Bezkręgowce stanowią ponad 95% liczby gatunków zwierząt w Puszczy Białowieskiej. Podobnie jak w przypadku grzybów, również owady bogate są w relikty puszczańskie, co możliwe jest dzięki unikalnym jak na warunki europejskich lasów nizinnych, zasobom martwego drewna, usuwanego niestety powszechnie w lasach gospodarczych. W Puszczy mają również swoje skrajnie zachodnie stanowiska gatunki tzw. borealne, tj. związane ze strefą północnych lasów szpilkowych (tajgi).