天溪園園內受地形及氣候的影響，棲地類型豐富，因此動物種類繁多，各種鳥類、兩棲類、昆蟲等活躍於園區，使得園內更顯得生機盎然。

　　依據「亞熱帶生態學學會」紀錄，天溪園已知有234種動物，包括昆蟲151種，兩棲類14種，爬蟲類18種，鳥類44種，哺乳類7種。其中保育類生物有臺北樹蛙、臺灣草蜥、蓬萊草蜥、大冠鷲、黃嘴角鴞、領角鴞、臺灣藍鵲等。並具有許多特殊的棲地，如草生地(草生地的高莖草類)、水池(蛙類繁殖區)、溪澗(臺灣石魚賓、魚、沼蝦的棲地)等。

　　天溪園的動物是臺灣北部山區的典型，兩棲類包括蟾蜍、小雨蛙、樹蛙和赤蛙，一到繁殖季節，滔滔不絕的咯咯鳴聲非常引人側目，經常在水池邊產卵。草叢間常見盤古蟾蜍；事實上，它也是臺灣分布最廣、最容易觀察的蟾蜍；秋末至初春為其繁殖期，體型肥厚碩大，不擅於跳躍，不過下雨過後，它們卻常在步道上胡亂衝撞，叫人冷不防嚇了一跳。

　　爬蟲類也是夏日野外的常客，蜥蜴和蛇類各半。在後段步道上，經常可見黃口攀蜥和斯文豪氏攀蜥出現在路旁樹幹，路旁石塊上常見石龍子和印度蜥蜴，守宮和蝎虎常以涼亭為家。園內比較常見的蛇類包括過山刀、青蛇、茶斑蛇等。