Existen el área aves migratorias y otras como el gavilán (Buteo swainsoni) y el águila de bocachico (Pandion heliaetus), la pava negra (Aburria aburri), el paujil nocturno (Nothrocorax urumotum), el gallito de roca (Rupicola peruviana), los colibríes (Popelaria popelarii y Phlegopsis barringeri), oropéndola oliva (Psarocolius bifasciatus), búho (Megascops watsonii), y vaco cabecinegro (Trigrisoma fasciatium). Igualmente fueron identificadas subespecies del águila copetona (Spizaetus ornatus), la guacharaca (Ortalis motmot), el mochilero (Psarocolius angustifrons)
En Orito se dio un primer registro para Colombia del lagarto camaleón (Enyalioides microlepis). En reptiles se ha registrado la serpiente verrugosa (Lachesis muta).

En el santuario se pueden encontrar algunos primates como el churuco (Lagothrix lagotricha) y el mono blanco maicero (Cebus albifrons), y otros mamíferos como el venado colorado (Mazama americana) y especies reportadas en peligro como el oso de anteojos (Tremarctos ornatus), el león colorado (Puma concolor) y el tigre mariposo (Panthera onca).

En insectos se pueden encontrar mariposas de la familia Nymphalidae y de las subfamilias Heliconiinae, Morphinae, Nymphalinae, Satyrinae, y de las familias Papilionidae y Pieridae.