三江源區野生動物區系屬古北界青藏區“青海藏南亞區”，可分為寒溫帶動物區系和高原高寒動物區系。動物分布型屬“高地型”，以青藏類為主，并有少量中亞型以及廣布種分布。
1、動物種類
據調查，區內有獸類8目20科85種，鳥類16目41科237種(含亞種為263種)，兩棲爬行類7目13科48種。國家重點保護動物有69種，其中國家一級重點保護動物有藏羚、牦牛、雪豹等16種，國家二級重點保護動物有巖羊、藏原羚等53種。另外，還有省級保護動物艾虎、沙狐、斑頭雁、赤麻鴨等32種。
——獸類：三江源區85種獸類，占青海省獸類的82.5%；占全國獸類的16.8%。在85種獸類的地理分布中，古北界有62種，占總獸類種數的73%；東洋界16種，占19%；廣布種4種，占5%；另有待確定3種，占3%。國家重點保護獸類有29種，占保護區獸類總數的34%；占青海省國家獸類保護種數的49%；占全國獸類保護總數的27%。其中，國家一級重點保護種類為9種，占保護區保護種類的31%；國家二級重點保護種類為20種，占69%。
——鳥類：三江源區237種鳥類，占青海省鳥類的77%；占全國鳥類的19%。在237種鳥類的地理分布中，古北界有178種，占總鳥類種數的75%；東洋界14種，占6%；廣布種45種，占19%。國家重點保護鳥類有39種，占保護區鳥類總數的16%，占全國鳥類保護總數的16 %。其中，國家一級重點保護種類為7種，占保護區保護種類的18%；國家二級重點保護種類為32種，占82%。
——兩棲爬行類：兩棲爬行類15種，占全國兩棲爬行類的2%。其中兩棲類7種，占47%；爬行類8種，占53%。有國家二級重點保護種類1種。
——昆蟲：已鑒定昆蟲11目87科378種。
2、動物組成
動物組成是以山地森林草原、草甸草原、寒漠動物等為主的生態地理動物群，種群比例上獸類、鳥類數量巨大，而兩棲類和爬行類物種組成簡單，種群數量相對較小。
——山地森林草原動物群
該動物群主要分布于玉樹州的囊謙、玉樹、雜多和稱多的部分地區和果洛州的斑馬、達日、久治三縣的部分地區的亞高山針葉林內，是三江源保護區內生物多樣性最豐富的地區，集中分布區在江西、白扎、東仲、麥秀和多可河林區。獸類的代表動物有白唇鹿、馬鹿、馬麝、巖羊、獼猴、毛冠鹿、豹、小熊貓、野豬、豺、狼、黃鼬等，在東仲和江西林區有鬣羚的分布，也是彌猴分布的海拔和經度的上限，有一個約300只的彌猴種群。另有灌叢草甸及向高原過渡的類群如黑熊、棕熊、雪豹等動物。鳥類的珍稀、優勢種為白馬雞、藍馬雞、血雉、雉鶉、斑尾臻雞、綠尾虹雉、高原山鶉、環頸雉、藏雪雞、巖鴿、紅隼、鴛、胡兀鷲、大嘴烏鴉、黑枕啄木鳥、斑啄木鳥等，以林區鳥類為主兼有高山灌叢鳥類。兩棲類相對是保護區內分布最豐富的地區，有西藏蟾蜍、大蟾蜍、花背蟾蜍，中國林蛙、西藏山溪鯢等。爬行類有青海沙蜥、秦嶺滑蜥、枕紋錦蛇和蝮蛇等。
——山地草原及草甸草原動物群
該動物群主要分布于玉樹州的稱多、玉樹和果洛州的瑪沁、甘德，海南州的興海、同德，黃南州的澤庫、河南的大部分地區，集中分布在通天河兩岸和年保玉則山一帶的山地草原和草甸草原或杜鵑、繡線菊等灌叢。獸類主要有赤狐、藏狐、棕熊、石貂、香鼬、艾虎、藏原羚、藏羚、藏野驢、白唇鹿、巖羊、喜馬拉雅旱獺，為典型的高原獸類群落。鳥類以猛禽為代表有大鵟、普通鵟、金雕、高山兀鷲、獵隼、藏雪雞、石雞、褐背擬地鴉、角百靈、棕背黑頭鶇、白腰雪雀和百靈科、伯勞科鳥類，部分濕地寬谷地帶有灰鶴、黑頸鶴、斑頭雁、赤麻鴨、棕頭鷗、魚鷗、紅腳鷸、反嘴鷸等。兩棲類的優勢種為中國林蛙、倭蛙、花背蟾蜍。爬行類的優勢種為青海沙蜥和蝮蛇、高原蝮。
——高山荒漠及濕地動物群
該動物群主要分布于長江和瀾滄江水系的源頭地區，保護區的西部地區，是有蹄動物和珍稀動物的主要分布區，也是三江源區最具代表性的動物類群。獸類有野牦牛、藏羚、藏原羚、藏野驢、白唇鹿、巖羊、盤羊、雪豹等優勢動物，其次還有猞猁、香鼬、荒漠貓、高原兔、喜馬拉雅旱獺等。同時由于這一地區濕地大、湖泊星羅棋布，許多珍稀水鳥也主要分布于此，主要有黑頸鶴、灰鶴、中華秋沙鴨、白尾海雕、玉帶海雕、斑頭雁、赤麻鴨、棕頭鷗。特別是當曲濕地已成為我國高原珍禽黑頸鶴的又一重要夏季繁殖地，也是我國一個重要的、鮮為人知的黑頸鶴種群。雉類有荒漠類型的西藏毛腿沙雞、雪雞，主要的猛禽為大鵟、金雕、高山兀鷲、胡兀鷲、獵隼，雀形目主要有角百靈、長嘴百靈、棕背伯勞、棕背雪雀、白腰雪雀、麻雀等。兩棲類主要是沼澤、湖泊等濕地內的倭蛙、中國林蛙。爬行類的優勢種為青海沙蜥和高原蝮。