Panemunių regioniniame parke vyrauja įprastų rūšių gyvūnai. Retų, į Raudonąją knygą įrašytų, nedaug. Sutinkamos kelios retos šikšnosparnių rūšys: europinis plačiaausis, vėlyvasis šikšnys ir Natererio pelėausis. Parko teritorijoje yra fiksuotas šermuonėlis. Ūdra aptikta net keliose parko vietose – daugiausia Nemune, o taip pat jo intakuose. Nykutės upelyje ūdros gyvena nuolat. Iš čia jos lengvai pasiekia Nemuną. Bebrų gausų Armenos upelyje. Dėl jų veiklos formuojasi upelių krantų nuošliaužos. Be šio upelio bebrų randama ir kitose parko vietose.

Miškuose, dėl reljefo ypatumų daug negyvos medienos, todėl daug geninių paukščių- juodųjų, žaliųjų ir pilkųjų meletų, beveik visų rūšių genių. Iš bestuburių Panemunių regioniniame parke buvo stebėti į raudonąją knygą įrašyti machaonai. Nemuno pietinėse ekspozicijos šlaitų sauspievės yra potencialių retų vabzdžių buveinė. Čia sutinkami didysis auksinukas, juodasis apolonas, gencijoninis ir kraujalakinis melsviai. Senuose, trūnijančiuose lapuočių medžiuose, aptikti marmurinis ir niūriaspalvis auksavabaliai. Nemuno ichtiofauna tiriama nuo XXIII amžiaus. Ją tyrė Kliukas, V. Severginas, B. Jundzilas, A. Pliteris, P. Terleckas, J. Zografas, K. Gaigalas, A. Gerulaitis, R. Krotas, J. Maniukas ir kiti. Nustatyta kad Nemuno žemupyje ir Panemunių regioninio parko teritorijoje žuvų rūšinė sudėtis ir gausa yra nepastovi. Ypač tai charakteringa žuvų neršto migracijos metu. Tada Nemune daugiausiai būna žiobrių. Vėlyvą rudenį ir žiemą neršti atplaukia vėgėlės. Į Nemuno intakus neršti migruoja lašišos ir šlakiai. Skersnukis vijūnas ir auksaspalvis kirtiklis yra Raudonosios knygos atstovai. Viso Nemuno baseine skaičiuojama apie 52 žuvų rūšis.

Tiek sukultūrintose tiek natūraliose Nemuno pievose vis dar neretos globaliai nykstančios griežlės. Jo peri ir daugiamečių žolių laukuose. Nemuno salpose atvirose viksvomis apaugusiose įdubose peri švygždos. Tilvikiniai paukščiai parke sutinkami ne tik migracijų , bet ir veisimosi metu, nors šiuos laikotarpiu yra reti. Smėlėtose salose, o kai kur ir pusiasaliuose peri upiniai kirlikai. Šlapiose ganomose Nemuno salpos pievose ties Gelgaudiškiu peri paprastieji griciukai ir raudonkojai tulikai. Sutinkami vieni gražiausių Lietuvos paukščių – kukutis, tulžys ir bitininkas. Parko teritorijoje peri upinės ir mažosios žuvėdros. Jos lizdus suka tik smėlėtose ar dalinai žoline augalija padegtose salelėse, bet pakitus jų buveinėms apaugus krūmais, tankia aukšta žoline augalija) tokiose vietose nustoja perėti. Taip pat galima stebėti ir juodąsias žuvėdras jūršarkes. Ištisus metus o ypač rudeninės migracijos metu, prie Nemuno galima stebėti didžiuosius baltuosius garnius. Maitinimosi tikslais prie Nemuno kartais galima pamatyti ir juoduosius gandrus.