No paul do Boquilobo foram inventariadas 16 espécies de peixes, 11 espécies de répteis, 13 espécies de anfíbios, 27 espécies mamíferos e foram observadas cerca de 221 espécies de aves.
Na comunidade piscícola, realça-se pela sua abundância a gambúsia Gambusia holbrooki, a enguia Anguilla anguilla, a fataça Lisa ramada e o ruivaco Rutilus macrolepidotus. Esta última, juntamente com boga-portuguesa Chondrostoma lusitanicum apresentam grande relevância em termos de conservação da natureza por constituirem endemismos lusitânicos.
Há a salientar também a presença de um crustáceo, o lagostim-vermelho-da-Louisiana Procambarus clarkii, espécie não indígena, cuja dinâmica populacional conjuntamente com as características físicas do meio (excelentes locais de abrigo), favorecem o seu carácter invasor.
No grupo do anfíbios destaca-se a presença de 4 endemismos ibéricos: o Tritão-de-ventre-laranja Triturus boscai, o sapo-parteiro-ibérico Alytes cisternasii, o discoglosso Discoglossus galganoi e a rã-ibérica Rana iberica. Embora se tenha vindo a verificar um decréscimo acentuado na abundância e diversidade na população de anfíbios desta Reserva Natural, além da rã-ibérica, o tritão-marmorado Triturus marmoratus e a salamandra-de-costelas-salientes Pleurodeles waltl são consideradas as mais representativas. Pequenos charcos e valas de água limpa, com vegetação de fundo para a deposição dos ovos, parecem ser os requisitos necessários para a presença desta classe.
Relativamente aos répteis, a cobra-de-água-veperina Natrix maura, a lagartixa-ibérica Podarcis hispanica e a lagartixa-do-mato Psamodromus algirus são, respectivamente, o ofídeo e os sáurios mais frequentes, sendo observadas em terrenos com características mais xéricas, como é o caso do montado e zonas habitacionais. Devido ao seu estatuto de ameaça , a ocorrência do cágado-de-carapaça-estriada Emys orbicularis é de particular interesse.
No grupo do mamiferos, destaca-se a presença de lontra Lutra lutra, rato-de-Cabrera Microtus cabrerae e morcego-arborícola-gigante Nyctalus lasiopterus.
Apesar da grande diversidade biológica existente na Reserva Nacional do Paul do Boquilobo, a componente avifaunística é sem dúvida a mais abundante e a de maior valor para a conservação. Destaca-se a presença de uma importante colónia de ardeídeos que depende inteiramente das zonas permanentemente alagadas, utilizadas para nidificação, repouso e alimentação. As espécies que aqui nidificam são por ordem de grandeza numérica garça-boeira Bubulcus ibis, garça-branca-pequena Egretta garzetta, goraz Nycticorax nycticorax, garça-vermelha Ardea purpurea, garça-cinzenta Ardea cinerea, garça-pequena Ixobrychus minutus e papa-ratos Ardeola ralloides. Destas espécies, apenas as 3 primeiras são realmente coloniais, podendo as restantes nidificar mais isoladamente. A garça-vermelha e o papa-ratos são espécies protegidas. O colhereiro Platalea leucorodia nidifica igualmente nesta colónia e merece especial referência por esta Reserva ser, em Portugal, um dos seus poucos locais de nidificação.
Proporcionando excelentes condições, o Paul do Boquilobo alberga praticamente todas as espécies de anatídeos que ocorrem em Portugal durante o Inverno. As espécies mais abundantes são: marrequinha Anas crecca, pato-trombeteiro Anas clypeata, pato-real Anas plathyrhynchos e zarro-comum Aythya ferina. A maioria das espécies chega ao paul, do Norte da Europa, mas algumas permanecem durante o resto do ano, chegando mesmo a nidificar, como é o caso do pato-real. Esta Área Protegida destaca-se por ser um dos poucos locais de nidificação do pato-de-bico-vermelho Netta rufina a nível nacional e é ainda de realçar a presença e possível nidificação do Marreco Anas querquedula.
Em relação às limícolas, foram já inventariadas 41 espécies. Assumindo características singulares e de grande relevância, é a ocorrência da gaivina-de-faces-brancas Chlidonias hybridus, uma vez que esta Área Protegida oferece as condições propícias à sua nidificação, albergando o maior núcleo reprodutor em Portugal.
Podem também ser observadas com maior frequência as aves de rapina águia-calçada Hieraaetus pennatus, águia-cobreira Circaetus gallicus, peneireiro-cinzento Elanus caeruleus, águia-pesqueira Pandion haliaetus, tartaranhão-ruivo-dos pauis Circus aeroginosus, e peneireiro-vulgar Falco tinnunculus. Nidificam na Reserva o milhafre-preto Milvus migrans e a águia-de-asa-redonda Buteo buteo.
Por se tratarem de espécies ameaçadas, é de destacar no grupo dos Passeriformes a cotovia-pequena Lullula arborea, a petinha-ribeirinha Anthus spinoletta, a felosa-do-mato Sylvia undata, o pisco-de-peito-azul Luscinia svecica e a felosa-aquática Acrocephalus paludicola.