El Parque Nacional de Doñana alberga una impresionante diversidad faunística. En sus aguas, se han identificado 20 especies de peces de agua dulce, mientras que en la tierra y el aire se encuentran 10 especies de anfibios, 13 de reptiles, 37 de mamíferos terrestres y 360 de aves, de las cuales 127 se reproducen regularmente en el parque.
Doñana es hogar de peces autóctonos como la anguila, pero también de especies introducidas como la carpa, la gambusia y el lucio, que representan una amenaza para los ecosistemas locales debido a su naturaleza invasora.
La fauna reptiliana y anfibia de Doñana incluye una variedad notable, con especies como la culebra de cogulla occidental, la culebra lisa meridional, la culebrilla ciega, la culebra bastarda, la culebra de collar, la culebra viperina, el gallipato, la lagartija de Carbonell, la lagartija colirroja, el lagarto ocelado, la rana común, la ranita de San Antonio, el sapillo pintojo, el sapo común, el sapo corredor, el sapo de espuelas, la tortuga mora, la víbora hocicuda, el tritón ibérico, el tritón jaspeado, la salamanquesa común, el galápago europeo y el camaleón común.
Las aves son especialmente prominentes en Doñana, particularmente las acuáticas. En invierno, el parque puede albergar hasta 642,964 ejemplares. Con niveles óptimos de inundación en las marismas, se reproducen alrededor de 50 especies acuáticas, con un promedio anual de unos 350,000 individuos invernantes. Sin embargo, entre 2004 y 2022, los estudios del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) muestran que muchas aves acuáticas reproductoras están en declive. Ejemplos notables de aves en situaciones preocupantes incluyen el aguilucho lagunero, la cerceta pardilla, el fumarel común, el porrón pardo y la pagaza piconegra. A pesar de esto, algunas especies como el flamenco y la malvasía cabeciblanca muestran tendencias reproductoras positivas.
Entre los mamíferos que habitan Doñana se encuentran el ciervo, el conejo de campo, el erizo europeo, el gamo, la gineta, el gato montés, el jabalí, el lince ibérico, el lirón careto, el meloncillo, varios tipos de murciélagos (murciélago de cueva, murciélago grande de herradura y murciélago ratonero), la musaraña, la nutria, el ratón, el turón, el zorro, el tejón, la rata de agua, la rata negra, el nóctulo pequeño y la vaca marismeña.
El lince ibérico, una especie endémica y extremadamente amenazada, es uno de los símbolos más importantes de Doñana. Restringido a la península ibérica, su población ha disminuido drásticamente, y solo quedan colonias en Doñana y otros pocos parques naturales. En Doñana, el Centro de Cría de El Acebuche trabaja en su reproducción en cautividad, logrando la supervivencia de varios ejemplares. Sin embargo, la alta mortalidad debido a atropellos y otras causas desconocidas pone en riesgo estos esfuerzos de conservación.
Doñana también es hogar de dos razas autóctonas de caballos en peligro de extinción: el caballo marismeño y el caballo de las retuertas, este último considerado la raza equina más antigua de Europa y España. Ambas razas están registradas en el Catálogo Oficial de Razas de Ganado de España y representan un importante patrimonio biológico del parque.