У тваринному світі Провальського степу є як чисто степові і лісові, так і навіть напівпустельні види. Тут мешкають 250 видів павукоподібних, 1500 видів комах, 236 видів хордових, з яких 47 видів ссавців, 174 - птахів, 9 - плазунів, 6 - земноводних. У цьому відділені охороняються 22 види тварин, занесених до Європейського червоного списку, 68 видів, занесених до Червоної книги України, 145 видів, що підлягають особливій охороні згідно з Бернською конвенцією.

Із рідкісних ссавців тут зустрічаються горностай, тушканчик великий, мишівка степова, тхір-перев'язка, тхір степовий, борсук. По ярах та в байрачному лісі трапляються куниця кам'яна, ласка, лисиця, вовк і єнотовидний собака. Гризуни представлені, окрім уже згаданих, ще 10 видами: численні жовтогорла, миші лісова, маленька і хатня; в степу мешкають нориця східноєвропейська та сліпак звичайний; по байрачних лісах - білка звичайна, соня лісова, нориця підземна, землерийки мала і велика та рясоніжка мала. Іноді на територію заповідника заходять косуля, кабан дикий, лось.

У гніздовий період у межах Провальського степу зустрічаються огар, пугач, вівсянка чорноголова, сови вухата й сіра, боривітер, яструб великий, лунь лучний, сиворакша, одуд, рибалочка голубий, куріпка сіра. На прольоті і під час міграції зустрічаються журавель сірий, дрофа, шпак рожевий, хохітва, орел-могильник, орлан-білохвіст, змієїд; на ставку, який розташований в охоронній зоні, - лебеді, гуси, качки, кілька видів сивкоподібних.

Рідкісні плазуни представлені "червонокнижними" - гадюкою степовою східною, полозами жовточеревим і чотирисмугим.

У межах Провальського степу і його околиць мешкають багато рідкісних видів комах: дибка степова, жук-олень, махаон, поліксена, мнемозина, ксилокопи звичайна й фіолетова, бражник карликовий, бражник дубовий та інші.

Луганський природний заповідник - це своєрідний резерват дикої природи на крайньому сході України в тісному оточенні аграрного і промислового ландшафту. Тому важливим завданням на найближчу перспективу є організація комплексних біоценологічних досліджень та регіонального моніторингу; розширення території заповідника в 2-3 рази за рахунок охоронних зон і нових унікальних ділянок у межах Луганської області.