Животный мир округа довольно разнообразен. В составе фауны Ненецкого округа насчитывается около 300 видов позвоночных животных, из них 31 вид наземных млекопитающих, около 190  видов птиц, 40 видов рыб во внутренних водоёмах и 64 вида морских рыб. Многочисленны водные беспозвоночные: инфузории, фитомонады, олигохеты, нематоды, коловратки, низшие ракообразные, моллюски и др. Разнообразен видовой состав насекомых, огромное количество кровососущих: комаров, мошек, оводов.

Фауна представлена обитателями тундры, тайги, арктических пустынь. Типично арктические и субарктические виды – белый медведь, песец и лемминги (сибирский и копытный). Наиболее разнообразен видовой состав животных лесотундры. Широко распространены тундряная и обыкновенная бурозубки семейства насекомоядных. Наиболее обилен видами и количеством особей отряд грызунов. Мелкие млекопитающие являются кормовой базой для большинства пернатых и наземных хищников. Лесная мышовка – вид, распространённый за пределами лесотундровой зоны вплоть до подзоны северных тундр. Ондатра – сравнительно крупный грызун, акклиматизированный в округе в 30-е гг. XX века, широко распространилась по территории и была объектом промысла. Узкочерепная (стадная) полёвка населяет всю территорию округа за исключением арктических островов. Отряд зайцеобразных представлен в фауне НАО зайцем-беляком. Из хищных характерны волк, обыкновенная лисица, песец, , белый и бурый медведи, а также горностай, ласка, росомаха, лесная куница и речная выдра. Парнокопытные на территории округа представлены двумя дикими видами: лось и северный олень.

В прибрежных морях встречаются морские млекопитающие: белуха, североатлантическая морская свинья, нарвал, кольчатая нерпа, морской заяц, серый тюлень, атлантический морж. Продолжается промысел только кольчатой нерпы и морского зайца.

Ненецкий автономный округ расположен на пролётном пути водоплавающих и околоводных птиц. Большинство птиц гнездятся на территории НАО, некоторые кочуют, часть встречается во время весенних и осенних перелётов. Зимует около 20 видов. По богатству видов и численности наиболее представлены воробьиные и ржанкообразные (кулики) — более чем по 40 видов и водоплавающие — около 30 видов. Промысловое значение имеют гуси, утки, а также белая куропатка — один из фоновых видов тундры и лесотундры. Пуночка, или снежный подорожник, - вестница весны, обитающая рядом с человеком. Около жилья гнездятся и обыкновенная каменка, и белая трясогузка. А жёлтая и желтоголовая трясогузки встречаются в естественных ландшафтах на юге округа. Путников в тундре неизменно сопровождает жалобный и протяжный свист золотистой ржанки. Особое внимание человека привлекают гуси. Тревогу вызывает положение краснозобой казарки, пискульки и серого гуся.  Белощёкая казарка также была внесена в Красную книгу РФ, но в последние годы её численность сильно увеличилась. Восстанавливается в численности и тундровый, или малый, лебедь. Семейство утиных, помимо гусей и лебедей, представлено многочисленными утками (более 20 видов). Обычные виды – кряква, шилохвость, морянка, свиязь, широконоска. Редкие виды уток округа – гага обыкновенная, гага сибирская и гага-гребенушка – включены в Красную книгу. На территории округа гнездятся гагары: белоклювая, краснозобая, чернозобая. Многочисленны в НАО чайки, крачки и поморники. Хищные птицы представлены тремя семействами: ястребиных, соколиных и скопиных. В лесах округа можно встретить серого журавля и дятлов. Оживляют природу тундры пеночки и овсянки.

В многочисленных реках и озёрах, а также морских водах обитают проходные, полупроходные, пресноводные и морские рыбы. Атлантический лосось – сёмга – живёт в море, а на нерест входит в реки. Характерным для арктической области является голец арктический, размножающийся  в пресных водах. Нельма, белорыбица – речная рыба, но в период нагула заходит в слабосолоноватые воды. Арктический омуль распространён по всему побережью округа. В прибрежных участках обитает Пыжьян, печорский сиг. В реках и пойменных озёрах обитают чир и пелядь, европейский хариус и щука обыкновенная, язь и окунь, золотой карась и лещ. В морях обитают промысловые рыбы: навага, чешско-печорская сельдь, треска, пикша. Азиатская зубастая корюшка держится в прибрежной зоне, заходя для нереста зимой в реки. В реках Белого и Баренцева морей ценной промысловой рыбой является минога тихоокеанская. Многочисленна в Баренцевом море зубатка пятнистая. Акклиматизирована стерлядь, но её популяция осталась очень малочисленной. Заходят на нерест единичные экземпляры горбуши, акклиматизированной в бассейне Баренцева моря. В низовьях Печоры единично отмечается угорь речной.

Из земноводных в НАО встречаются лягушка травяная, сибирский углозуб, обыкновенная жаба, из рептилий — ящерица живородящая.

Насекомые на территории округа представлены видами, приспособленными к низким температурам. Число видов сокращается в направлении с юга на север тундровой зоны. В НАО можно встретить представителей почти всех отрядов насекомых – жесткокрылых, ручейников, чешуекрылых, перепончатокрылых, двукрылых.