В заповеднике нет млекопитающих, пресмыкающихся и земноводных, редких для фауны России, но 3 вида птиц (орлан-белохвост, скопа и беркут) занесены в Красную книгу. Первые два регулярно гнездятся в заповеднике, беркут лишь редко залетает..
Фауна беспозвоночных животных изучена недостаточно, хотя известно более 1,5 тыс. насекомых, однако это только около четверти их видового разнообразия. Среди насекомых заповедника 5 видов занесены в Красную книгу СССР (1978): альпийский усач, восковик-отшельник, степной шмель, дыбка степная и черный аполлон. В вышедшую в 1983 г. Красную книгу РСФСР занесен 21 вид энтомофауны заповедника. Однако говорить о существенной роли заповедника в сохранении генофонда этих животных пока нет реального основания, поскольку методы оценки численности редких видов и контроля за состоянием их популяций практически не разработаны.
За полувековой период заповедного дела в Жигулях численность охотничье-промысловых животных изменялась. Наиболее показательна в этом отношении история копытных животных. Единственный аборигенный представитель этой группы — лось. К моменту организации первого заповедника на Самарской Луке обитало стадо из 7 лосей. Повсеместный запрет на его добычу в сочетании с соблюдением заповедного режима способствовал росту популяции лосей. Их численность только на заповедной территории в предвоенные годы достигала 20—30, а в 1960 г. составила 40 голов. Много лосей обитало еще и на сопредельной территории. Максимума число лосей достигло к середине 70-х годов, превысив 300 голов, а в целом по Самарской Луке — 1 тыс. В эти годы были четко выражены сезонные миграции лосей: в начале зимы — из заповедника на соседние территории, куда их привлекало обилие лиственных молодняков на вырубках, а с началом весны — в заповедник, куда при повсеместном обилии корма их привлекал покой. В этот период единовременный максимум численности лосей в заповеднике в предзимний период и в начале зимы достигал 500 голов. С зимы 1975/76 г. началось снижение их числа до 300 голов в 1984 г. Основные причины этого: повышенная смертность в глубокоснежные зимы (особенно 1978/79 г.), резкое увеличение числа волков, ежегодный отстрел лосей за пределами заповедника, а также сокращение зимних пастбищ лосей. В настоящее время лоси предпочитают зимовать в постоянных местах заповедника, на которые они собираются в начале зимы.
В 1938 —1939 гг. на территорию заповедника было выпущено около 30 пятнистых оленей, завезенных с Дальнего Востока. Пятнистые олени неплохо чувствовали себя в Жигулях, и к 1951 г. их стало на Самарской Луке почти 100 голов, из которых около 80 держались на заповедной территории. Но олени наносили заметный вред растительности каменистых степей: они подолгу держались здесь в зимнее время, добывая корм из-под неглубокого снега. Популяция пятнистого оленя в Жигулях была неустойчива. Критическое положение для них сложилось после закрытия Куйбышевского заповедника в 1951 г. Одной исключительно глубокоснежной зимы 1955/56 г. оказалось достаточно, чтобы популяция пятнистого оленя на Самарской Луке была смертельно подорвана. Летом 1956 г. только на одной Бахиловой горе были обнаружены остатки 28 трупов пятнистых оленей. В 1960 г. были лишь немногочисленные (и сомнительные) свидетельства о встрече следов этого зверя. После 1966 г. ни одной встречи пятнистых оленей или их следов в заповеднике не зарегистрировано.
В связи с изменением экологических условий в регионе на Самарской Луке за последние 20 лет появилось два новых вида копытных животных. С 1960 г. здесь встречаются косули, а с 1973 г. — кабаны. Число косуль с 1960 г. постепенно возрастало и достигло максимума — 50 голов в 1975 г. Появившиеся зимой 1975/76 г. волки сразу уничтожили несколько стад косуль, которые сохранились только в горной части заповедника. В настоящее время косули стали совсем редкими обитателями заповедника (их не более 5), но есть надежда, что в результате борьбы с волками косуль на Самарской Луке станет больше.
Главный фактор, лимитирующий обитание и увеличение числа кабанов в заповеднике, — также высота снежного покрова. В поисках доступных кормов кабаны избрали местом зимовки некоторые овраги в горной части заповедника. К середине зимы группы кабанов из-за большой высоты снежного покрова оказываются запертыми на очень ограниченных участках и голодают. В более мягкие зимы они благополучно доживают до весны, когда начинают активно рыться на первых проталинах, в поисках которых поднимаются из оврагов на южные склоны. Здесь они серьезно повреждают растительность каменистой степи. В многоснежную зиму (например, 1984/85 г.) молодняк и часть самцов погибает от бескормицы, а беременные самки поедают павших животных. В результате почти весь прошлогодний приплод погибает, но самки к опоросу приходят вполне упитанными, и общая численность стада восстанавливается. При таком естественном регулировании численности кабанов в условиях природного комплекса Самарской Луки, для которого этот вид является чуждым компонентом, при нескольких мягких зимах создается опасность чрезмерного роста его численности. Это может привести и к серьезному разрушению реликтовой растительности заповедника, и к массовой гибели зверей. Было решено провести комплекс работ по управлению популяцией кабанов на Самарской Луке: подкармливать кабанов за пределами заповедника, чтобы исключить их зимнюю концентрацию в заповеднике, и отстреливать большую часть молодняка до численности, не представляющей угрозы для охраняемой растительности.
Не ограничиваются заповедной территорией и крупные хищники. В XVIII в. на Самарской Луке их было значительно больше, чем сейчас. Тогда здесь обитали не только встречающиеся в наши дни волк и рысь, но был многочислен и бурый медведь. Но уже около 100 лет назад здесь был убит последний зверь, и с той поры до наших дней этот хищник не появлялся. Изменялась и численность волка и рыси, которые в отдельные периоды полностью истреблялись на Луке, но приходили снова, при этом рысь исчезала на долгое время, а при возвращении была крайне малочисленной.
Число волков временами возрастало до угрожающих размеров. В первое десятилетие после организации нынешнего заповедника (1966—1975 гг.) отмечали лишь редкие, единичные заходы волков, но с 1976 г. они появлялись в заповеднике регулярно, и их общее число достигло 30 голов. ПрИг шлось возобновить борьбу с «серыми разбойниками». Зимой 1984/85 г. было добыто капканами 7 волков. Важно отметить, что, как и в прежние годы, все волки были добыты вне заповедной территории. Весь опыт работы заповедника в Жигулях показывает, что популяция волка не должна выпускаться из-под контроля; как только в заповеднике появится более одной стаи волков (как правило, это выводок с родителями, насчитывающий не более 7 зверей), с ними немедленно следует начинать борьбу. Причем нет никакой необходимости делать это на заповедной территории.
Рысь появилась в заповеднике позднее, регулярно стала заходить с 1981 г. При нынешней исключительно низкой численности рыси необходимости по ее снижению не возникает. Однако это не означает, что рысь не влияет на животных заповедника. В частности, после возвращения рыси в Жигули здесь заметно уменьшилось число зайцев-беляков. Вероятно, это совпадение не случайно, поскольку в питании рыси зайцы доминируют.
Из мелких хищников в заповеднике наиболее многочисленны два вида из семейства куньих — обыкновенный барсук и лесная куница. В 20-е годы барсук был редким обитателем заповедника, но в настоящее время стал обычным видом. Три других вида этого семейства — лесной хорек, горностай и ласка — весьма малочисленны. Большинство куньих питается грызунами, преимущественно мышевидными, среди которых самой многочисленной (около 80%) неизменно остается рыжая полевка. Колебания численности именно этого вида определяют состояние кормовой базы куницы и более мелких куньих, а также лисицы.
В свою очередь численность мышевидных зависит от урожая желудей, орехов, семян сосны, липы, клена и от погодных условий. Четкая зависимость прослеживается между численностью белки и плодоношением дуба и лещины. В «Летописи природы» заповедника описаны случаи, когда после двух урожайных лет дуба численность белки возросла до нескольких тысяч и наблюдалась массовая их миграция, при которой зверьки пытались переплыть Волгу. В настоящее время рост числа белок ограничен многочисленностью куниц и длиннохвостых неясытей, которые выедают всех белок в центральной части заповедного массива. Белки встречаются преимущественно вблизи поселков, где куницы и совы, как правило, не появляются.
Среди зайцеобразных многочислен только заяц-беляк. После 1966 г. численность его неизменно держится на высоком уровне, хотя в прежние годы были периоды полного отсутствия зайцев, вероятно, вследствие эпизоотии. Заяц-русак встречается обычно только по южной границе заповедника и на порядок малочисленнее беляка.
В прошлом веке боровой дичи — глухарей, тетеревов и рябчиков — было несравненно больше, чем сейчас. Несмотря на организацию заповедников, этих птиц становится все меньше. Кроме очевидной общей причины — освоения территории человеком роль отдельных факторов, определяющих этот печальный процесс, выявлена пока недостаточно.
Много в заповеднике охотничье-промысловых водоплавающих птиц во время осеннего пролета. В сентябре — октябре в заливе между островами нередко отмечались стаи уток до тысячи птиц. Наиболее крупные стаи образуют кряквы, к которым нередко присоединяются и другие утки.
Гнездящихся водоплавающих (крякв, гоголей) ничтожно мало, как и других охотничье-промысловых птиц (серых куропаток, перепелов, вальдшнепов и др.).
Животный мир лесного массива Жигулей и плато Самарской Луки почти однороден и может рассматриваться как единый биоценоз нагорного леса. В лесном массиве обитают охотничье-промысловые звери и боровые птицы, но они составляют ничтожную часть видового разнообразия биоценоза лесов. Весьма существенную роль в них играют грызуны — от многочисленной рыжей полевки и широко распространенных желтогорлой и лесной мыши до таких редких видов, как лесная соня и полчок. Своеобразным символом леса можно считать сов, среди которых обычны серая и длиннохвостая неясыти, более редки ушастая и болотная совы и филин.