El área protegida presente una alta diversidad de ecosistemas al encontrarse entre las provincias biogeográficas de Yungas y Amazonia de Madeira. Hasta la fecha se han registrado 858 especies de vertebrados (Fernández, E y Altamirano, S., 2004).
- 108 especies de mamíferos, pertenecientes a 33 familias, lo cual representa el 30% de las especeis de mamíferos de Bolivia.
- 470 especies de aves, correspondiente al 34% del total de aves de Bolivia.
- 39 especies de reptiles, pertenecientes a 15 familias, representando alrededor del 14% conocido para el país, sin incluir las tortugas y caimanes.
- 53 especies de anfibios, representando entre el 26% y 28,5% de las especies del país y pertenecientes a 8 de las 11 familias de anfibios para Bolivia.
- 188 especies de peces, distribuidas en 25 familias (Altamirano, R.C. y otros, 1992).
La fauna es igualmente muy diversificada, entre éstas destacan: el jucumari (Tremarctos ornatus), el pejichi (Priodontes maximus), el marimono (Ateles paniscus), el manechi (Alouatta seniculus), la londra (Pteronura brasiliensis), el jaguar (Panthera onca), el ciervo de los pantanos (Odocoileus dichotomus), la harpía (Harpia harpyja), el pato negro (Cairina moschata), aves endémicas (Myrmotherula grisea, Grallaria erythrotis), aves amenazadas (Terenura sharpei, Ampelion rufaxilla), la peta de río (Podocnemis unifilis) y el caimán negro (Melanosuchus niger).
Mamíferos
Entre la mastofauna destacan el jucumari (Tremarctos ornatus), el pejichi (Priodontes maximus), el marimono (Ateles paniscus), el manechi (Alouatta seniculus), la londra (Pteronura brasiliensis), el jaguar (Phantera onca), el ciervo de los pantanos (Odocoileus dichotomus).
Especies amenazadas
Las Categorías de amenaza están en base a Especies Amenazadas de la Flora de Bolivia (Beck y Meneses, 2005)
| ESPECIE | NOMBRE COMÚN | CITES |
| Zameioscirpusatacamensis | EN | |
| Oxychloe andina | EN | |
| Distichiamuscoides | EN | |
| Distichia filamentosa | EN | |
| Polylepislanata | EN |
| Polylepispepei | EN | |
| Polylepisbesseri | EN | |
| Myrcianthescallicoma | EN | |
| Podocarpusrusbyi | EN | |
| Cyatheaspp | II | |
| Ceroxylonpityrophyllum | VU | |
| Ceroxylonparvifrons | VU |
FUENTE : Elaboracion propia SERNAP, 2001
Las Categorías de amenaza están en base al Libro Rojo de Fauna Silvestre de Vertebrados de Bolivia (MMAy A, 2009)
Apéndices de CITES, 2013
El bufeo o bufeo colorado (Inia boliviensis): se encuentra distribuido en las áreas protegidas Reserva de la Biosfera Estación Biológica del Beni, Parque Nacional Noel Kempff Mercado y Territorio Indígena Parque Nacional Isiboro Sécure. Esta especie se encuentra según el libro rojo en categoría vulnerable.
El delfín de río (Inia boliviensis), comúnmente conocido como ‘bufeo’ por la gente local, es el único mamífero estrictamente acuático del país.
Panthera onca (Jaguar): Esta especie se encuentra distribuida en los departamentos de Cochabamba, Chuquisaca, La Paz, Santa Cruz, Pando y Beni, esta especie caza durante las horas del amanecer y atardecer, alimentándose de animales grandes. También existen posibles nuevos registros de especies para Bolivia.
Aves
Destacan la harpía (Harpia harpyja), el pato negro (Cairina moschata), aves endémicas (Myrmotherula grisea, Grallaria erythrotis), aves amenazadas (Terenura sharpei, Ampelion rufaxillia).
El Caimán Melanosuchus Níger: es la especie más grande de Sudamérica su distribución es amplia dentro de la cuenca amazónica y áreas periféricas, sus poblaciones fueron sometidas a intensa presión por cacería, reduciendo en gran parte su rango de distribución actual, en Bolivia esta especie se ubica en los departamentos de Beni, Cochabamba, La Paz y Santa Cruz encontrándose en el libro rojo como especie vulnerable.
Reptiles y Anfibios
Entre los reptiles se conocen tortugas de río (Podocnemis unifilis y P. expansa), el lagarto (Caiman yacaré), el caimán negro (Melanosuchus niger).
Se han reportado 53 especies de anfibios, aproximadamente el 28% del total nacional. Por otra parte se han registrado 8 especies nuevas de anfibios en el TIPNIS.
