В настоящее время в заповеднике обитают представители пяти отрядов млекопитающих. Самый крупный из них — лось (вес самца достигает 500—600 кг). Косули — самые многочисленные представители копытных Ильмен. Уральские косули крупнее сибирских и якутских. Численность их в настоящее время доходит до 500 особей. Третий представитель парнокопытных — дальневосточный пятнистый олень, которого привезли в Ильмены в 1938 году (27 особей в районе озера Большого Ишкуля). Сейчас в Ильменах их зарегистрировано 15. В середине 70-х годов в Ильмены вернулись кабаны, они охотно заселяют территорию заповедника.
Отряд хищных представляют волки, лисы, барсуки, лесные куницы, колонок, хорь светлый, горностай и ласка. В последние годы появилось значительное количество рысей, первая встреча с которой была отмечена в 1941 году. Из отряда грызунов самым крупным является бобр, 23 зверька которого были ввезены из Воронежского заповедника в 1948 году. Сейчас бобров стало в 5 раз больше.
Они освоили все пригодные водоемы заповедника и вышли за его пределы. Ондатра завезена в 1954 году и встречается во всех озерах. Белка и бурундук — обычны в заповеднике; хомяк, суслик большой и особенно летяга — редки.
Из мышевидных грызунов обитают несколько видов полевок, четыре вида мышей (полевая, лесная, домовая и малютка), серая крыса и лесная мышовка. Зайцы-русаки и беляки стали обычны. Из отряда насекомоядных встречаются еж, крот, кутора и три вида землероек (обыкновенная, средняя и малая). Землеройка малая — самое маленькое животное Ильмен (весит 3,5 г). Отряд рукокрылых представлен несколькими видами летучих мышей, из которых наиболее обычен двухцветный кожан.
Птиц в заповеднике насчитывается 160 видов. В 20-е годы С. И. Снигеревский отмечал 183 вида, С. Л. Ушков в 50-е годы — 199. Уменьшению количества птиц способствовало изменение ландшафта, старение лесов, изменения в характере озер, повсеместное сокращение количества некоторых птиц (лебедь-кликун, беркут, скопа, серый гусь, чернозобая гагара и другие). Но кроме природных факторов, в сокращении пернатого населения негативную роль сыграл человек: строительство города и случаи проникновения людей в заповедник привели к исчезновению беркута, сапсана, большого подорлика, лугового луня, большого крохаля. В целом из состава птиц заповедника исчез 31 вид, сократилась численность 15 видов и появились новые четыре вида.
По-прежнему украшением лесов заповедника являются глухари, тетерева, рябчики. На озерах много видов уток, куликов, на болоте гнездится серый журавль. Пять видов дятлов — постоянные жители заповедника. А самый многочисленный отряд «заповедных» птиц — воробьиные. Наиболее обычны: сороки, вороны, воробьи, синицы, ласточки, скворцы, иволги, пеночки. Встречаются представители и других отрядов. Самая маленькая птичка заповедника — королек желтоголовый (весит 3—5 г).
Из класса пресмыкающихся в ИГЗ обитают три вида змей: гадюка, медянка и уж обыкновенный — и три вида ящериц: прыткая, живородящая и веретеница. Из земноводных наиболее обычна лягушка остромордая. Жаба встречается реже.
Из рыб в заповедных озерах обитают 12 видов: сиг чудской (акклиматизирован в 1929 году), плотва сибирская (чебак), язь, лещ, линь, карась (золотой и серебряный), щука, окунь, ерш, налим и шиповка.
Фауна беспозвоночных изучена здесь гораздо слабее, некоторые типы (простейшие, губки, кишечнополостные) еще ждут своих исследователей. Представители самой многочисленной на нашей планете группы животных — насекомые, число видов которых в заповеднике, по мнению специалистов, достигает 10 тысяч, изучены лишь частично. Более повезло в этом смысле жукам-златкам (35 видов), жужелицам (95 видов), жукам-усачам (81 вид), жукам-мертвоедам (11 видов), коровкам (17 видов), жукам-мягкотелкам (8 видов), муравьям (15 видов), бабочкам-пяденицам (100 видов), бабочкам-совкам (121 вид), клопам (145 видов). На стадии изучения прямокрылые, уховертки, плавунцы, стафилиниды, щелкуны, долгоносики, листоеды, пчелиные, пилильщики, кровососущие комары, слепни, комары-долгоножки, сирфиды и некоторые другие группы шестиногих. Работа по инвентаризации фауны беспозвоночных важна с той точки зрения, что недостаток фаунистических сводок сдерживает проведение экологических исследований, так как без знания основных компонентов природных комплексов-видов невозможно детально изучить биологические процессы в этих системах, установить объем и структуру биоценозов, правильно оценить изменения, происходящие в них.