Wiedza o zwierzętach zamieszkujących TPK jest jeszcze bardzo niekompletna, zwłaszcza w zakresie dotyczącym bezkręgowców. Mimo to stwierdzono w parku rzadkie gatunki zwierząt, których obecność świadczy o nieprzeciętnej wartości przyrodniczej tego obszaru.
Najlepiej poznane są ptaki. W granicach Parku stwierdzono 160 gatunków ptaków, z tego 127 to gatunki lęgowe. Spośród tych ostatnich warto wspomnieć o rzadszych gatunkach ptaków drapieżnych: w parku gniazduje, między innymi, nasz największy, herbowy drapieżnik — bielik oraz kania ruda. Liczniej do lęgów przystępują mniejsi przedstawiciele ptasich drapieżników: jastrzębie, krogulce, myszołowy oraz trzmielojady. Inne interesujące gatunki ptaków stwierdzone na obszarze Parku i jego otuliny to na przykład: bocian czarny, samotnik, żuraw, sowy: włochatka, uszatka i puszczyk, dzięcioły, m.in.: czarny i zielony, siniak, orzechówka, pluszcz, zimorodek, pliszka górska, wójcik i zniczek. Szczególnie godna uwagi jest kolonia lęgowa mew w otulinie parku koło Bojana, gdzie obok masowych lęgów śmieszki zaobserwowano również pojedyncze lęgi mewy czarnogłowej oraz perkoza zausznika.
Słabo jeszcze poznana fauna ssaków prawdopodobnie nie odbiega specjalnie od typowej dla Niżu Polskiego. Z dużych ssaków żyją w parku m.in. dzik, sarna, jeleń szlachetny oraz sporadycznie łoś (pojawiające się osobniki wędrujące). Ponadto: zając szarak, królik dziki, wiewiórka, lis, borsuk, wydra, kuny: domowa i leśna, tchórz, łasica, jeż wschodni. Z małych ssaków zasługują na wymienienie rzęsorek rzeczek oraz nietoperze borowiec wielki i nocek duży. Ciekawym zjawiskiem jest utrzymywanie się dość dużej liczebności zwierząt kopytnych w niewielkim i względnie izolowanym kompleksie Lasów Oliwskich — mimo intensywnej penetracji tego obszaru przez ludzi. Powodem tego może być ograniczenie polowań z użyciem broni palnej w strefie przymiejskiej i bogate urzeźbienie terenu, dające zwierzętom większe poczucie bezpieczeństwa.
Spośród zaobserwowanych na terenie parku 8 gatunków płazów i 5 gatunków gadów do rzadszych i bardziej zagrożonych należą: traszka grzebieniasta, grzebiuszka ziemna, zaskroniec zwyczajny i żmija zygzakowata.
Fauna ryb i minogów w TPK najlepiej jest poznana w zakresie dotyczącym wód płynących. Na uwagę zasługuje obecność w kilku ciekach minoga strumieniowego oraz liczne występowanie pstrąga potokowego, którego niektóre odizolowane stanowiska zachowały prawdopodobnie walor populacji pierwotnych.
Prawie cała wiedza o bezkręgowcach w parku ogranicza się do owadów. Na uwagę zasługuje stwierdzenie kilku gatunków bardzo rzadkich muchówek i błonkówek, w tym jednego gatunku nowego dla Polski. Niestety, te najrzadsze gatunki nie mają nawet polskiej nazwy lub mają nazwę znaną tylko specjalistom. Z bardziej popularnych, efektownych i interesujących owadów w TPK na uwagę zasługują m.in. zwłaszcza motyle: paź królowej, kraśnik zmienny, mieniak tęczowiec i rusałka żałobnik, a także trzmiele: około 12 gatunków oraz chrząszcze: około 11 gatunków biegaczy, pachnica dębowa i pętlak pstrokaty. Z innych bezkręgowców zaobserwowanych w parku do najciekawszych należą ślimaki: świdrzyk żeberkowany i ślimak ostrokrawędzisty oraz pająk tygrzyk paskowany.