Фауністичний комплекс заповідника сформований у специфічних умовах Товтрового кряжу. Різновікові деревостани, висока залісненість схилів, перемежування їх із степовими ділянками, що поросли різнотрав’ям і островами ягідних кущів, створюють сприятливі умови для оселення тварин лісостепової групи. У заповіднику представлені всі фонові види Подільсько-Придністровського зоогеографічного району. Своєрідною рисою тваринного світу Медоборів є те, що тут змішані представники фауни різних ландшафтних зон, які утворюють стик на території Поділля. Характерними є степові види, а також типова фауна західноєвропейських широколистяних лісів, але поєднання їх у біоценозах є особливим, відповідно до умов заповідника.
На заповідній території в даний час відмічено понад 2000 видів комах, 15 риб, 11 земноводних, 7 плазунів, 202 види птахів, 60 ссавців, серед яких багато рідкісних. До Червоної книги України занесено 25 видів комах, 1 вид риб, 1 вид плазунів, 27 – птахів, 27 - ссавців.
Серед червонокнижних комах звичайними для заповідника є бджола-тесляр звичайна, вусач мускусний, сатурнія руда. Спорадично зустрічаються мнемозина, переливниця велика. Інші є рідкісними: жук самітник, жук-олень, стрічкарка малинова, бджола-тесляр фіолетова, красуня діва, бражник мертва голова.
Численними є земноводні, оскільки тут багато вологих місць, струмків, тимчасових водойм. Найчастіше зустрічаються жаби: ропуха звичайна, рідше можна бачити ропуху зелену, джерелянку червоночереву. Рідкісним для заповідника видом є часничниця. З хвостатих земноводних тут можна зустріти звичайного і гребінчастого тритонів, які є для заповідника рідкісними.
З семи видів плазунів тут поширені ящірка прудка, вуж звичайний, веретільниця ламка і рідше – гадюка звичайна та ящірка живородна. Мідянка – вид, що знаходиться в Червоній книзі України. В околицях заповідника можна зустріти черепаху болотну.
Наймасовішою групою з хребетних є птахи. Тут поширені представники шістнадцяти рядів, серед яких найчисельнішими є: горобцеподібні, соколоподібні, сивкоподібні, гусеподібні, дятлоподібні, совоподібні. Особлива цінність заповідника – 27 видів рідкісних червонокнижних птахів. Гніздуються тут орел-карлик, малий підорлик, пугач, на зимівлю прилітає сірий сорокопуд, іноді залітають довгохвоста сова, сапсан, на перельотах зустрічаються чорний лелека, гоголь, сірий журавель, польовий лунь.
З 60 видів ссавців у заповіднику можна зустріти три види парнокопитних: сарну європейську, свиню дику, дуже рідко – лося. Хижі звірі представлені 10 видами, серед яких куниця лісова та кам’яна, лисиця, ласиця, борсук, кіт лісовий, тхір і горностай. Останні три занесені у Червону книгу України.
Гризунів у заповіднику 19 видів. Всі вони є звичайними і багаточисельними, заселяють різні біотопи і мають важливе значення як корм для великої кількості хижих птахів, ссавців, змій. Мишівка лісова та хом’як звичайний є червонокнижними.
Особливу групу ссавців становлять рукокрилі, всі 19 видів, представлених у заповіднику, занесені до Червоної книги України. Звичайними тут є кажан двоколірний, підковоніс малий, вухані бурий і сірий, нічниці велика, вусата, водяна, Брандта.
