Dada la riqueza y variedad de la flora, el suelo de Santiago del Estero es un refugio natural para una gran variedad de animales.
Según las características de cada zona se encuentran diversos mamíferos. En las zonas de los bosques y los montes se pueden ver vizcachas, conejos, liebres, zorros, zorrinos y hurones. En toda la geografía de la provincia y especialmente en los bosques, por la buena disponibilidad de refugios y alimento, viven grandes vertabrados como el puma o león americano, el tigre o yaguareté, el gato montés, el tatú carreta, la mulita, etc. Tambien en este habitat existen dos especies de ciervo, la sacha cabra y la corzuela. En estas zonas existen también lagartos, lagartijas, chelcos o iguanas. La corzuela parda, llamada localmente "sacha cabra" que significa "cabra del monte", junto con el pecarí de collar, integran el grupo de los herbívoros. Otros mamíferos como el quirquincho, piche bola o mataco, hurones, zorrinos, yaguarundí o gato moro, zorro gris y vizcacha. Otros carnívoros como el gato montés y el hurón completan la fauna de mamíferos.
En las zonas montuosas y boscosas, es posible encontrar ejemplares de chuña, perdiz, martineta, pava del monte, torcaza, charata, cotorra o cata, águila común, carancho, lechuza, urraca, búho y loro. En las lagunas y bañados se encuentran patos, teros, garzas (blancas y moras), gallitos del agua y cigueñas.
La espesura del monte santiagueño está habitado por numerosas especies de pájaros silbadores, entre los que se puede citar a: pajaro carpintero, boyero, tordo, reinamora, cardenal, rua, golondrinas, calandria, zorzal, bentevéo y picaflor entre otros. También hay palomas del monte y torcazas.
El ambiente de hierbas y espesura es propicio para la vida de ofidios, entre los que se destaca la presencia temida de las víboras como la yarará, la cascabel, la coral, la vibora de la cruz, la boa constrictor (lampalagua), la culebra.
Tambien se pueden encontrar murciélagos, vampiros y una gran variedad de arácnidos ( viuda negra, rastrojera, entre otras).
Muchos ejemplares de la fauna autóctona son perseguidos por el hombre, por el valor económico de sus cueros y pieles, profusamente empleados en la marroquinería e industria de la ropa, entre otros se pude nombrar a: el zorro, el león, la vizcacha, el gato montés, el yaguareté, la lampalagua, nutria, etc. Otros animales son perseguidos por su carne, como la vizcacha, el pichi, la corzuela, el conejo, la perdiz, entre otros. Algunos de estos animales han sido tan perseguidos que están a punto de desaparecer, como el yaguareté, el tatú carreta, el avestruz y el puma.
En algunos departamentos la caza ha sido vedada para evitar la extinción de muchas especies.
Existen animales autóctonos del bosque chaqueño, que son todo un símbolo de la Provincia, que corren peligro de extinción, tal es el caso del tatú carreta, el puma y el oso melero.
Las especies típicas de aves del chaco seco, como la chuña de patas negras, es frecuentemente vista cruzando los caminos y rutas. Una gran variedad de pequeñas aves habitan los bosques de las quebradas húmedas.
Las aves de la sierra poseen particularidades. Especies típicas de las yungas encuentran aquí su ámbito familiar y no se hallan en el resto de la provincia. Tal es el caso del colibrí blanco y del fío fío corona dorada, entre otras. Tambien se hallan garzas brujas, garzas blancas, cuervillos de cañada, flamencos, patos zambullidores, chajáes, además de otras especies.
Los Bañados de Figueroa constituyen tanto una valiosa área de cría para aves residentes, como de invernada para aves pampeanas y patagónicas. Se han hallado también, numerosas especies migratorias provenientes del Hemisferio Norte. Ejemplares del pato picazo, anillados en la década del '60 fueron recuperados en el sur de Brasil, esto evidenció, por primera vez, las migraciones en sentido este-oeste.
La fauna de la sierra no es muy diferente a la que habita el resto de la provincia.
Entre los mamíferos de hábitos acuáticos se destaca el coipo o falsa nutria, que posee en el área una población de gran tamaño. El carpincho no es tan fácil de observar, como la especie anterior, a pesar de lo cual pueden hallarse sus rastros, huellas y excrementos en los sitios más apartados de la zona.
Los sitios áridos son el hábitat ideal de reptiles como la boa de las vizcacheras y la iguana colorada, ambas perseguidas por su valioso cuero. La tortuga terrestre posee una de sus poblaciones más importantes.
Los anfibios serranos también ocultan sorpresas. El escuercito , fue descripto como especie nueva para la ciencia en el año 1985, vive por el sur la Sierra de Guasayán.
Los extensos ambientes acuáticos, ricos en nutrientes, sustentan una gran variedad de peces, algunos de gran importancia para la alimentación de las poblaciones locales, como el dorado, la boga, el bagre, el sábalo, etc.
Los elementos de la fauna santiagueña corresponden a un grupo muy amplio, que se extiende desde Paraguay y sur de Brasil hasta las llanuras pampeanas. Los primates están representados por tres especies: el mono aullador o carayá, el caí y el miriquiná. Los felinos característicos del lugar son los llamados ocelote, eyrá o gato morisco, gato pintado, gato montés, y los más grandes: yaguareté y puma. Otros carnívoros son el mayuato, coatí, hurón, zorrino, lobito de río y el zorro colorado. Los roedores son muy numerosos y variados. Uno de los más típicos es el carpincho; también hay agutíes, cuises, quiyás, tapetíes, lauchas y ratones de campo.
Abundan además en la región, el tatú carreta, en retroceso numérico, mulitas y quirquinchos. En el sector oriental existen también osos hormigueros. Entre los ungulados se pueden citar las corzuelas, venados, chanchos de monte o taitetú, y los pecaríes. Existen más de 300 especies de aves, entre ellas las garzas blancas, flamencos, patos, teros, cigüeñas, cuervos, caranchos, halcones, águilas, gavilanes, cotorras, palomas, boyeros, cardenales, tordos, tijerillas, horneros, kakuy y perdices.
En la provincia hay 36 especies de reptiles, como la boa, la falsa coral, la víbora verde arborícola, y ofidios venenosos como yarará, cascabel y coral.
