保护区内有脊椎动物155种，其中鱼类14种；两栖类4种；爬行类2种；鸟类112种；兽类23种。隶属于5纲24目49科（亚科）。国家重点保护动物27种。其中Ⅰ级保护动物10种，包括黑颈鹤 、黑鹳、白尾海雕、玉带海雕、金雕、胡兀鹫、秃鹫、草原雕、猎隼、豺；Ⅱ级保护动物17种，其中鸟类10种，包括大天鹅、红隼、黑耳鸢、普通鵟等；哺乳类7种，包括猞猁 、兔狲 、岩羊、藏狐、狼等。鸟类在首曲湿地陆生脊椎动物中种类最多，最为典型的是我国一级重点保护鸟类黑颈鹤：它是青藏高原特有的鹤类，世界濒危珍禽，黄河首曲湿地是黑颈鹤最重要的繁殖栖息地，每年在保护区栖息繁殖的黑颈鹤数量达到480余只，占全球总数量的十分之一。

  黑颈鹤( Grus nigricollis)

黑鹳（学名：Ciconia nigra）