本区在动物地理区划上属于古北界——东北亚界——东北区——长白山地亚区。动物区系介于小兴安岭和长白山地之间，其东部为三江平原，西部为松嫩平原。因此，野生动物区系组成比较丰富。

保护区计有两栖类动物2目4科共5种，爬行类动物2目3科共7种。从动物地理区系看，绝大多数都属于古北界的种类，个别种则在古北界、东洋界均有分布。

5种两栖动物中，大蟾蜍、东北雨蛙、黑龙江林蛙、中国林蛙等4种为广布种，均广泛分布古北界的东北区、华北区和蒙新区。其中大蟾蜍、东北雨蛙、中国林蛙也见于东洋界，极北鲵、黑龙江林蛙分布于东北区和蒙新区。

黑龙江林蛙在小兴安岭地区为优势种。东北雨蛙、中国林蛙、大蟾蜍虽然分布较广泛，但数量不多。凉水自然保护区7种爬行动物，均属古北界成分，在数量上，丽斑麻蜥、枕纹锦蛇、乌苏里蝮为优势种。也可能有胎生蜥蜴分布。

保护区有鸟类16目46科252种。其中大部分为古北界种类、东洋界只有2种，显示凉水鸟类在古北界占绝对优势的特征。保护区鸟类各科种数不多。种类最多的科是鸭科和鹬科，且多为夏候鸟。林间溪流纵横是这些水鸟良好的繁殖和栖息场所。

兽类有6目16科44种。从分类系统上看以啮齿目、食肉目种类最多，其次是食虫目、偶蹄目和翼手目。

保护区在动物地理区划上属于古北界东北区、长白山亚区，从种类组成上以古北界种类为主，兔形目和偶蹄目全为古北界成分，而其他几目有东洋界种类。本区兽类主要为北方型和东北型，狗獾和狍是典型北方型动物，遍及欧亚大陆。两种动物在黑龙江林区分布很广，狍在我国主要分布在东北及西北地区。狍在黑龙江各林区均能见到。数量也较多。本区兽类多属于东北型，花鼠、大林姬鼠等是典型东北型兽类。

保护区共有昆虫类动物11目72科491种。在昆虫类动物中以鳞翅目和鞘翅目的种类最为丰富，其中鳞翅目25科221种，鞘翅目14科144种，分别占保护区昆虫种数的45％和29％。此外保护区还有土壤动物4门8纲21目39科51种。