Животный мир заповедника в целом типичен для Костромской области, хотя включает и некоторые виды разного географического происхождения, распространившиеся в регионе сравнительно недавно. Заповедник находится в зоне широкой границы между фауной таёжных бореальных, смешанных и широколиственных лесов.

Равнинный плоский придолинный рельеф с небольшими перепадами высот, небольшой крутизной склонов междуречий является благоприятным для норных животных. Лёгкий механический состав почвы Мантуровского участка благоприятен для обитания землероек, кротов.

Наличие малых лесных рек обуславливает высокую плотность животных, жизнь которых связана с водоёмами (бобр, норка, выдра). Небольшие болота заповедника ограничивают возможность гнездования журавлей, белых куропаток. Однако значительные площади черничников, брусничников в лесах создают хорошие условия обитания для зверей и птиц, влияя на высокую плотность населения тетеревиных птиц, медведей и некоторых других животных.
Наличие на заповедной территории лесов на разных стадиях динамических смен существенно влияет на формирование фаунистических комплексов.

Резко континентальный климат существенно влияет на распространение животных, является лимитирующим для распространения некоторых крупных зверей и вместе с низкими зимними температурами приводит к заметному снижению численности зимующих мелких птиц.

Фауна позвоночных животных включает 1 вид круглоротых, порядка 20 видов рыб, 5 видов амфибий, 5 видов рептилий, 172 видов птиц, часть из которых является в заповеднике залётными и не гнездится, более 50 видов млекопитающих.
Фауна беспозвоночных к настоящему времени изучена недостаточно.

Ихтиофауна

По предварительным оценкам, в малых реках обоих участков заповедника обитает порядка 20 видов рыб. Основные из них: обыкновенная щука (Esox lucius), лещ обыкновенный (Abramis brama), плотва обыкновенная (сорога) (Rutilus rutilus), окунь обыкновенный (Persa fluviatilis), хариус европейский (Thymallus thymallus), который занесён в Красную книгу РФ.
Земноводные и пресмыкающиеся

В лесах Кологривского заповедника можно встретить двух змей — гадюку (Vipera berus) и ужа (Natrix (Tropidonotus) natrix). Ужи более характерны для Мантуровского участка, в северной части ареала встречаются гораздо реже. Существенную роль в биоценозах заповедника играют ящерицы – прыткая (Lacerta agilis), живородящая (Lacerta vivipara) и веретеница (Anguis fragilis). Ящерица живородящая и веретеница более характерны для Мантуровского участка, где они заселяют сухие смешанные и сосновые леса с участием широколиственных видов, вырубки и опушки с пнями, валежником.

Земноводные представлены пятью видами, принадлежащими к двум отрядам. Из отряда бесхвостых наиболее многочисленны травяная (Rana temporaria) и остромордая (Rana terrestris) лягушки. На Кологривском участке они встречаются немного реже, чем на Мантуровском, но их местообитания здесь шире в связи с распространением более влажных лесов. Обычна для заповедника жаба обыкновенная (Bufo bufo), хотя она встречается реже травяной лягушки. Отряд хвостатых представлен двумя видами: тритоном гребенчатым (Triturus cristatus) и тритоном обыкновенным (Triturus vulgaris). Оба вида встречаются в биотопах с небольшими водоёмами на болотах, старицах лесных рек. Большое значение для воспроизводства земноводных (лягушек, жаб, тритонов) в настоящее время имеют временные пересыхающие водоёмы – лужи по колеям старых дорог.

Птицы

Первый аннотированный список птиц для территории заповедника был составлен при его проектировании в 2000 году. Среди наземных позвоночных класс птиц является наиболее многочисленным. Орнитофауна заповедника представлена 16 отрядами, насчитывающими 172 вида, из которых 101 вид является гнездящимся перелётным, 32 вида появляются в периоды летне-осенних послегнездовых кочёвок и отмечаются не ежегодно, 7 видов залетает с севера в осенне-зимнее время и всего 32 — 35 видов встречаются круглогодично. Значительная часть видов имеет пути пролёта вдоль крупных рек, т.е. в стороне от заповедных территорий.

Суровые зимние условия региона способствуют тому, что часть видов, например, дятлы белоспинные и малые пестрые, редкие для региона седоголовые дятлы, обычные чижи и многие другие птицы на зиму откочёвывают к югу от лесов заповедника. Кроме того, большая часть зимующих мелких видов: синиц, овсянок, дятлов, сов и ястребов-тетеревятников откочёвывает южнее уже с конца лета — осенью. Из встреченных на территории заповедника птиц 43 вида распространено вблизи краевой части ареала. В зимнее время, а точнее с октября по май, на зимовках изредка можно встретить белую сову, гнездовой ареал которой находится несколько севернее. Среди птиц с восточными ареалами можно отметить глухую кукушку (Cuculus saturatus), зелёную пеночку (Phylloscopus trochiloides), таловку (Phylloscopus borealis). Нередко залетают и кедровки подвида Nucifraga careocatactes macrorynchos Brehm. Юла (Lullula arborea), имеющая в целом западный и юго-западный ареал, встречена по сухим разреженным соснякам Мантуровского участка, но не отмечена на Кологривском. Распространение некоторых видов птиц с юга, юго-востока и юго-запада происходит в основном вдоль русел крупных рек. На обоих участках были встречены лазоревки – белая и обыкновенная. Таким образом, в настоящее время наблюдается расселение некоторых видов, происходящее вслед за освоением человеком новых земель и, как следствие, изменением растительности региона.

Почти сразу после окончания гнездования для многих видов птиц заповедника начинается период послегнездовых кочёвок. Особенно это хорошо заметно уже в июне у чижей, позднее у длиннохвостых синиц, гаичек. К стайкам из 1-2 выводков синиц уже в июне-июле присоединяются пеночки, длиннохвостые синицы, временами дятлы, реже поползни и пищухи, численность которых в заповеднике невелика. Стаи в составе из десятков птиц смешанного видового состава перекочёвывают с сентября, придерживаясь обычно южных и юго-западных направлений. К октябрю отлетает большая часть перелётных видов птиц.
Среди зимующих птиц заповедника отмечено в разные зимы 32-35 видов. Зимуют в пределах заповедника буроголовая гаичка (Parus montanus), московка (Parus ater), большая синица (Parus major), гренадерка (Parus cristatus), длиннохвостая синица (Aegithalos caudatus), пищуха обыкновенная (Certhia familiaris), поползень (Sita europaea), чечётка (Acanthis flammea), чиж (Spinus spinus), снегирь (Pyrrhula pyrrhula), клёст-еловик (Loxia curvirostra), щур (Pinicola enucleator), желтоголовый королёк (Regulus regulus), большой пёстрый дятел (Dendrocopos major), малый пёстрый дятел (Dendrocopos minor), трёхпалый дятел (Picoides tridactylus), желна (Dryocopus martius), обыкновеная овсянка (Emberiza citrinella), щегол (Carduelis carduelis), сойка (Garrulus glandarius), ворон (Corvus corax), сорока (Pica pica), кукша (Cractes infaustus), кедровка (Nucifraga caryocatactes), свиристель (Bombycilla garrulus), ястреб тетеревятник (Accipiter gentilis), глухарь (Tetrao urogallus), тетерев (Lyrurus tetrix), рябчик (Tetraster bonasia), длиннохвостая неясыть (Strix uralensis), мохноногий сыч (Aegolius funereus), воробьиный сыч (Glaucidium passerinum), ястребиная сова (Surnia ulula), белая сова (Nyctea scandiaca), филин (Bubo bubo). Таким образом, видовое разнообразие уменьшается от весенне-летнего периода к зиме не менее чем в 5 — 6 раз, а суммарная плотность населения разных видов — в 4 — 11 раз.

По плотности населения и общей численности среди птиц заповедника преобладают представители разных семейств воробьиных (порядка 80 видов), среди которых наиболее массовыми являются зяблик (Fringilla coelebs), зелёная пеночка (Phylloscopus trochiloides), пеночка-теньковка (Phylloscopus collybitus), зелёная пересмешка (Hippolais icterina), садовая славка (Sylvia borin), серая мухоловка (Muscicapa striata), малая мухоловка (Ficedula parva), мухоловка пеструшка (Ficedula hypoleuca), лесной конёк (Anthus trivialis), крапивник (Troglodites troglodites), большая синица (Parus major), гаичка (Parus montanus).
Из хищников, занимающих второе место по количеству видов, в лесах Кологривского заповедника гнездятся скопа (Pandion haliaetus), чёрный коршун (Milvus korschun), тетеревятник (Accipiter gentilis), перепелятник (Accipiter nisus), канюк (Buteo buteo), полевой лунь (Circus cyaneus), сапсан (Falco peregrinus), чеглок (Falco subbuteo), обыкновенная пустельга (Falco tinnunculus), осоед (Pernis apivorus), из них наиболее обычны чёрный коршун, тетеревятник, канюк, полевой лунь, обыкновенная пустельга. На Мантуровском участке при залёте отмечен дербник (Falco columbarius), в августе 1999 года на Кологривском участке замечен кобчик (Falco vespertinus). Ранее в Кологривском районе гнездился малый подорлик (Aquila pomarina), а в августе 1986 года в окрестностях Мантуровского участка встречены две молодые особи большого подорлика (Aquila clanga). Изредка в окрестностях Мантуровского участка встречается змееяд (Circaetus gallicus), заселяющий пойменные леса с высокими деревьями, чередующиеся с открытыми пространствами. Его гнездования ранее отмечались в Мантуровском районе. Осенью 2000 года вблизи Кологривского участка встречен беркут (Aquila chrysaetos). Нерегулярно по полям, лугам и свежим вырубкам вокруг заповедника встречается зимняк (Buteo lagopus) – вид, обитающий в тундрах и лесотундрах.

Пластинчатоклювые представлены 14 видами. Гнездятся кряква (Anas plaеtyrhynchos) и чирок-свистунок (Anas crecca). По реке Кастовке гнездится хохлатая чернеть (Aythia fuligula), а в мае-июне 2000 года отмечена пара лутков (Mergus albellus).
Ржанкообразных также насчитывается 14 видов.Наиболее распространёны вальдшнеп, черныш, перевозчик.
Широко распространены по всей территории заповедника и довольно многочисленны куриные птицы — глухари (Tetrao urogallus), тетерева (Lyrurus tetrix), рябчики (Tetraster bonasia). Изредка на территории заповедника и на прилегающих территориях стайками встречается белая куропатка (Lagopus lagopus rossicus). К настоящему времени численность её значительно сократилась в связи с разработкой торфяных болот. Тетеревиные птицы в заповеднике не испытывают недостатка в кормах и местах, пригодных для гнездования. Наличие лугов обеспечивает обитание перепела (Coturnix coturnix), тока которого отмечены на Мантуровском участке.

Некоторые птицы, гнездящиеся в заповеднике, занесены в Красную книгу Российской Федерации. К ним относятся белая куропатка (Lagopus lagopus rossicus), скопа (Pandion haliaetus), филин, белая лазоревка (Parus cyanus), серый сорокопут (Lanius excubitor), кулик-сорока (Haematopus ostralegus), змееяд (Circaetus gallicus), беркут (Aquila chrysaetus), большой кроншнеп (Numenius arguatus). Из встречающихся и гнездящихся в заповеднике и его окрестностях птиц 39 видов находятся в Красной книге Костромской области.

Млекопитающие

Млекопитающие заповедника представлены в основном ключевыми для Костромской области видами. Отличия между участками заключаются в том, что Кологривский кластер посещают заходящие с севера росомахи, имеющие вблизи южную границу ареала, а на Мантуровском участке встречается бурундук. Северную границу ареала в регионе имеют выхухоль и хомяк. Фоновыми видами являются волк (Canis lupus), лисица (Vulpes vulpes), бурый медведь (Ursus arctos), лось (Alces alces), заяц-беляк (Lepus timidus), белка обыкновенная (Scirus vulgaris), бобр (Castor fiber). Особенностью фауны является большая плотность населения растительноядных млекопитающих (зайцев беляков, лосей (до 1992 — 1993 гг.)), а также мелких и крупных хищников (куниц, горностаев, норок, выдр, рысей, волков и медведей). Велика также и плотность населения бобров, заселивших к настоящему времени все подходящие для них водоёмы на обоих участках заповедника. Очень мала численность рукокрылых. Наиболее многочисленными являются отряды грызунов и хищников.

Рукокрылые представлены семью видами, включёнными в Красную книгу Костромской области: прудовая ночница (Myotis dasycneme), водяная ночница (Myotis daubentonii), усатая ночница (Myotis mystacinus), ушан (Plecotus auritus), рыжая вечерница (Nyctalus noctula), северный кожанок (Eptesicus nilssoni), двухцветный кожан (Vespertilio murinus). Все виды на территории заповедника находятся в северной части видового ареала, и их численность крайне мала.

Лёгкие по механическому составу почвы Мантуровского участка благоприятны для насекомоядных, наиболее обычным представителем которых является крот (Talpa europaea). Самыми массовыми видами этого отряда являются бурозубки обыкновенная (Sorex araneus) и средняя (Sorex caecutiens), а вот ежи (Erinaceus europaeus) встречаются редко и преимущественно также на Мантуровском участке.

Мышевидные грызуны предпочитают спелые леса с большой долей участия ели и сосны, в том числе и заболоченные. Наиболее многочисленным представителем этого семейства является рыжая полёвка (Clethrionomys glareolus). Красно-серая (Clethrionomys rufocanus) полёвка имеет небольшую численность и распространена в основном в лесах Кологривского участка с большим участием ели и сосны, а вот мышь малютка (Micromys minutus), наоборот, встречается в пойменных лесах и по лугам Мантуровского участка. В лесах с участием дуба, вяза в западной части Мантуровского участка возможно также появление желтогорлых мышей, по моховым болотам и другим растительным выделам в небольших количествах встречается лесной лемминг (Myopus schisticolor). Здесь же были зарегистрированы лесные сони (Dryomys niteduta), заселяющие зарастающие редким березняком и осинником сухие пустоши.

В заповеднике встречается бурундук (Tamias sibiricus), но его распространение очень неравномерно. Белка на сегодняшний день встречается преимущественно в средневозрастных и старых лесах с елью, сосной. Летяги (Pteromys volans) немногочисленны. Следы их деятельности встречались в ольшаниках с участием ели, а также в спелых еловых лесах, в местах со значительным участием ольхи.

Повсеместно по малым рекам заповедника распространены бобры (Castor fiber). Следы их деятельности (плотины, погрызы разной свежести) встречаются на реках Кисть, Понга, Сеха, Вонюх, Анюж и их притоках (р.Черная, Юрманга, Родля, Лондушка и др.). На Мантуровском участке бобры также заселяют все подходящие водоёмы. Места расположения поселений бобров на лесных реках приурочены к приречным осинникам, липнякам, ивнякам и, в меньшей мере, к березнякам.

Парнокопытные представлены лосем (Alces alces) и кабаном (Sus scrofa). Оба вида имеют широкий спектр местообитаний, однако кабан в заповеднике редок.

Многочисленность зайцев беляков и тетеревиных птиц по вырубкам и приспевающим лесам, а также бобров, мышевидных грызунов и земноводных благоприятна для большой численности разнообразных хищников, в том числе птиц и млекопитающих (соответственно 16,5% и 23,6% видового состава фауны).

Среди хищников фауны заповедных лесов преобладают представители семейства куньих (7 видов, не считая редкой росомахи) и собачьих (3 вида, среди которых – енотовидная собака, являющаяся интродуцированным видом).

Из представителей семейства куньих наиболее распространены в лесах куницы (Martes martes) и горностаи (Mustela erminea), следы которых можно встретить по всей территории. Эти виды находятся в средней части видового ареала и имеют широкий спектр местообитаний, хотя куница предпочитает высокоствольные хвойные леса. Барсуки (Meles meles) выкапывают свои сложные норы по склонам долин малых рек, которыми богата территория заповедника. Чёрный хорь (Mustela putorius) и ласка (Mustela nivalis) предпочитают околоводные местообитания и распространены спорадически. Норки распространены по всем рекам: в верховьях рек встречается европейская норка (Mustela lutreola), в более благоприятных местообитаниях ниже по течению её вытесняет американская норка (Mustela vision). Менее широкое распространение, чем норка, имеет выдра (Lutra lutra). Её следы отмечены по рекам Сеха, Вонюх, Кастовка, Иваньково.

Территория заповедника расположена в западной части ареала росомахи (Gulo gulo). Ранее отмечались её единичные заходы, которые возможны и в будущем. Достаточно высока в заповеднике численность медведей (Ursus arctos) и рысей (Lynx lynx), широко распространённых и представляющих собой обычные виды заповедника. Высокой плотности медведей способствует большая площадь черничников и брусничников, а также большое количество пищи на вырубках и гарях — в гниющей древесине и в малинниках.