Di Cagar Alam Pulau Sempu tercatat 116 jenis burung yang masuk ke dalam 46 famili. Terbanyak dari famili Pycnonotidae, dan tercatat ada 8 jenis burung dari famili ini. Selain itu, jenis-jenis burung ocehan seperti Cica Daun Besar, Cipoh Kacat, Sikatan Rimba Dada Cokelat, Kehicap Ranting, Tiong Emas dan lainnya.
Pada ekosistem pantai, mangrove, dan danau menjadi habitat dari burung-burung air, tercatat ada 10 jenis burung air di Cagar Alam Pulau Sempu. Sedangkan pada hutan dataran rendah menjadi habitat bagi burung-burung dari famili Bucerotidae seperti Kangkareng perut-putih dan Rangkong Badak.
Pun demikian dengan burung pemangsa dapat dijumpai pada cagar alam ini. Setidaknya tercatat 112 jenis burung pemangsa yang masuk famili Accipitridae dan Falconidae.
Hingga kini tercatat 18 jenis mamalia, 42 jenis herpetofauna, 30 jenis Lepidoptera, dan 27 jenis Gastropoda menjadi penghuni Cagar Alam Pulau Sempu.