Fauna wyspy jest bardzo zróżnicowana i bogato reprezentowana przez gatunki rzadkie. Przez Wolin przebiega główny szlak przelotu ptaków wzdłuż wybrzeża Bałtyku. Na terenie parku stwierdzono występowanie ponad 230 gatunków ptaków, w tym lęgowych: bielika, wodniczki, biegusa zmiennego, muchołówki małej. Park spełnia doniosłą rolę w ochronie ptaków wodno-błotnych, które tutaj znajdują spokój oraz bazę pokarmową, szczególnie w okresie wiosennych i jesiennych wędrówek. Na wodach parku zimuje lub odpoczywa w czasie migracji wiele tysięcy ptaków, spotykane są stada np. traczy liczące kilka tysięcy ptaków. Aktualnie m.in. prowadzona jest restytucja puchacza. Z bogatego świata owadów zachowały się m.in. siedliska największego polskiego chrząszcza jelonka rogacza oraz związana z obumierającymi dębami pachnica dębowa. Na terenie parku oznaczono 3 nowe dla nauki gatunki: chrząszcza Teredus opacus i 2 gatunki skoczogonków (Collembola). Wody Zatoki Pomorskiej to biotop wielu gatunków zwłaszcza ryb w tym anadromicznych (łosoś, troć) oraz coraz rzadszych ssaków morskich – foki szarej i morświna. Lasy parku to siedliska dla licznie występujących dzików oraz saren i jeleni, a z drapieżników lisów, borsuków i kun. Wśród gatunków nowo przybyłych na tereny Wolina oprócz jenota, norki amerykańskiej czy piżamka uwagę zwraca szop pracz.