В соответствии с зоогеографическим районированием Пензенской области два лесных участка заповедника и Кунчеровская лесостепь расположены в Сурском участке Приволжского района Европейской лесной провинции, а Островцовская лесостепь и Попереченская степь - в Хоперском участке Волго-Донского района степной провинции.
Несмотря на довольно хорошую изученность животного мира Пензенской области, конкретных указаний на исследование видового разнообразия животных территории заповедника до его создания нет. Исключением является ранняя работа И.И. Спрыгина (1923 г.), посвященная природе Попереченской степи, в которой автор приводит список видов животных обитающих на ней.
Инвентаризация животных заповедника начата в 1993 г. В настоящее время выявлено обитание на его территории более 600 видов насекомых, среди которых 8 - включены в Красную Книгу России.
Это - кузнечик дыбка степная, жуки: красотел пахучий и жук-олень, бабочки: подалирий, махаон, аполлон, мнемозина и голубянка Мелеагр. Изучение насекомых только началось, и исследователей ожидают очень интересные находки в необъятном мире беспозвоночных.
В немногочисленных водоемах пока обнаружено 9 видов рыб: гольян, голец, окунь, золотой карась, плотва, вьюн, налим, щука, язь.
Из 11 видов земноводных и 8 видов рептилий Пензенской области в заповеднике обитают соответственно 10 и 7 видов. Таким образом, состав герпетофауны заповедника составляет более 84% от общего областного списка этих животных. Из них 4 вида принадлежит к подзоне южной тайги (серая жаба, травяная лягушка, живородящая ящерица, обыкновенная гадюка), 7 видов связано с широколиственными и смешанными лесами и 5 - характерны для степной зоны (обыкновенная чесночница, зеленая жаба, озерная лягушка, прыткая ящерица, степная гадюка). Наиболее обычны и многочисленны по берегам водоемов озерная лягушка и обыкновенный уж, а в лесах и на лугах - остромордая лягушка, прыткая ящерица и обыкновенная чесночница. Редки степная гадюка, медянка, тритоны обыкновенный и гребенчатый, серая жаба. Степная гадюка, прудовая и травяная лягушки являются охраняемыми видами Пензенской области.
К настоящему времени на территории заповедника выявлен 151 вид птиц, что составляет 62% авифауны области. Наиболее полно здесь представлены виды отрядов Курообразные, Голубеобразные, Ракшеобразные и Дятловые (100% от фауны области). Ввиду отсутствия в заповеднике крупных водоемов, наименее представлена группа птиц, вся или большая часть жизни которых связана с крупными реками, озерами и открытыми водными пространствами. Эти виды составляют всего 21% околоводной авифауны Пензенской области, причем на территории заповедника достоверно гнездится только 12. Фауна Воробьинообразных составляет более половины всей авифауны заповедника и 82% воробьиных Пензенской области. Из хищных птиц (дневных и сов) к настоящему времени зарегистрированы практически все обычные и многочисленные для области виды, за исключением домового сыча.
Из редких птиц отмечены: обыкновенный осоед (несколько встреч), беркут (один залет) и балобан (две встречи). В 1999 г. впервые зарегистрировано гнездование редкого для региона степного луня. На территории заповедника отмечено 25 редких птиц, которые входят в состав списка видов, рекомендованного для включения в Красную книгу Пензенской области (81 вид), из них 15 в заповеднике гнездится, причем такие, как коростель, перепел, северная бормотушка - обычны, а местами даже многочисленны. Еще 6 видов (серый журавль, хохлатая синица, трехпалый дятел, малая мухоловка, клинтух) регулярно и ежегодно встречаются в подходящих для них биотопах заповедника, но немногочисленны.
На всех участках заповедника гнездятся наиболее широко распроcтранённые мелкие воробьиные. Это такие всем известные птицы, как славки, камышовки, желтая и белая трясогузки, обыкновенный жулан, иволга, луговой чекан, сорока, серая ворона. Они предпочитают поля-перелески, кустарниковые заросли, лесные опушки, смешанные лиственные леса.
Не редко можно увидеть и представителей других отрядов: кукушку, горлицу, перепела, коростеля и т.д. Из оседлых птиц на всех участках заповедника в любое время года можно встретить сороку, большую синицу, пестрого дятла.
Зимой заповедник дает приют не только оседлым, но и некоторым видам, прилетающим с севера и остающимся у нас на зиму. Это так называемые зимующие виды, всего их в фауне заповедника 8. На наших лесных участках можно встретить в это время года жителей темнохвойной тайги - кедровку и желтоголового королька, маленькую серенькую птичку с яркой желтой шапочкой на голове. По лиственным лесам и кустарниковым степям кочуют зимой в поисках корма красногрудые снегири, слышатся нежные голоса свиристелей. В поисках пропитания кружит над заснеженными полями зимняк, близкий родственник гнездящегося у нас канюка. Есть также виды, которые посещают заповедник только на пролете (9 видов) или в середине лета в послегнездовой сезон во время кочевок (6 видов). Это еще не настоящий пролет, а только кормовые перемещения, во время которых типично лесных птиц, например синиц, пеночек, зябликов, можно встретить в полях.
Несмотря на малую площадь заповедника, в нем представлено 66% всех млекопитающих, обитающих в Пензенской области. Это - 43 вида, в том числе такие редкие для области, как рысь, выдра, горностай, речной бобр, мышь-малютка, серый хомячок, мышовка Штранда, степная пеструшка, крапчатый суслик и лесная соня. Наиболее полно в заповеднике представлены хищные (71% от всех обитающих в области) и грызуны (73% от областного списка). Расположение заповедника в лесостепной зоне определяет состав фауны, которая включает виды типичные как для лесного зонального комплекса, так и для степного. К первым относятся рыжая полевка, полевая, желтогорлая и домовая мыши, обыкновенная бурозубка, лесная куница, барсук, лось, кабан. Постоянными компонентами степей являются обыкновенная полевка, слепыш, степная пеструшка, большой тушканчик и другие.
Шесть млекопитающих заповедника: мышовка Штранда, степная пеструшка, крапчатый суслик, выдра, горностай и рысь, - входят в состав 12 редких охраняемых видов зверей Пензенской области.
