Kawasan hutan ini mempunyai daerah yang basah dan kering sehingga memungkinkan untuk berkembangnya kehidupan satwa liar diantaranya
Gajah Sumatera (
Elephas maximus sumatranus), harimau (
Panthera tigris sumatrae), tapir (
Tapirus indicus), rusa (
Cervus timorensis russa)
siamang (
Hylobathes syndactylus syndactylus), beruang madu (
Helarctos malayanus malayanus)
LIPI dan WWF Indonesia (2003) melaporkan bahwa kawasan Tesso Nilo memiliki indeks keanekaragaman mamalia yang tinggi yakni 3,696 jenis
dijumpai 23 jenis mamalia dan dicatat sebanyak 34 (16,5% dari 206 jenis mamalia yang terdapat di Sumatera) dimana 18 jenis berstatus dilindungi serta 16 jenis termasuk rawan punah menurut IUCN
Kawasan Tesso Nilo merupakan blok habitat gajah terpenting yang masih ada di Riau
Survei yang dilakukan olek BKSDA Riau dan WWF menunjukkan bahwa terdapat kira-kira 350 ekor gajah yang masih tersisa di Provinsi Riau
Dari jumlah tersebut sebanyak 150-180 ekor berada di Tesso Nilo Bukit Tigapuluh landscape
dan sebanyak 60-80 ekor berada di Kawasn Tesso Nilo
Untuk burung tercatat 114 jenis burung dari 28 famili
Total jenis burung yang ditemukan tersebut merupakan 29% dari total jenis burung di Pulau Sumatera yaitu 397 jenis
Ada satu jenis yang merupakan catatan baru secara ilmiah untuk daerah sebarannya yaitu Kipasan gunung (
Rhipidura albicollis) dan
ada jenis endemik Sumatera dan Kalimantan dengan sebaran terbatas dihutan pamah, sudah terancam tetapi belum dilindungi yaitu Empuloh paruh kait (
Setornis criniger)