Фауната е много разнообразна. Между безгръбначните заслужават внимание карпатският скорпион и сколопендрата.

 Сред насекомите могат да се открият малка богомолка, няколко вида редки и защитени бръмбари, като  еленов рогач, бръмбърът – носорог, дъбо­­­вият сечко,  от пеперудите – лястовича опашка, полумесец, мъртвешка глава, малък черен аполон  и други.

Още 10 вида земноводни (от които 5 защитени) и 19 вида влечуги населяват Долината. Особена зоогеографска стойност имат  нощното гущерче – единствен представител на геконите у нас и коравецът, или  безкракият гущер. Срещат се два вида сухоземни костенурки, петнистият смок и смокът – мишкар, медянката,  пепелянката.

В  реката могат да се срещнат  22 вида риби, раци, охлюви и речни миди. Спортният риболов  е разрешен.

Паркът е истински птичи рай. Тук се срещат много птици, които са застрашени в цяла Европа, затова Ломовете са  обявени за орнитологично важно място.

От всички 92 вида бозайници, обитаващи България, тук са намерени 66 вида. Между тях са  24 строго защитени прилепа и изчезващите за цяла Европа  видра, пъстър и степен пор, голям хо­мяк и др. Паркът е естествен развъдник на сърни и благородни елени, на диви свине. Тук обитават вълци, чакали, лисици и други хищници.