天溪園園內受地形及氣候的影響，棲地類型豐富，因此動物種類繁多，各種鳥類、兩棲類、昆蟲等活躍於園區，使得園內更顯得生機盎然。

依據「亞熱帶生態學學會」紀錄，天溪園已知有 234 種動物，包括昆蟲 151 種，兩棲類 14 種，爬蟲類 18 種，鳥類 44 種，哺乳類 7 種。其中保育類生物有臺北樹蛙、臺灣草蜥、蓬萊草蜥、大冠鷲、黃嘴角鴞、領角鴞、臺灣藍鵲等。並具有許多特殊的棲地，如草生地 ( 草生地的高莖草類 ) 、水池 ( 蛙類繁殖區 ) 、溪澗 ( 臺灣石魚賓、魚、沼蝦的棲地 ) 等。

天溪園的動物是臺灣北部山區的典型，兩棲類包括蟾蜍、小雨蛙、樹蛙和赤蛙，一到繁殖季節，滔滔不絕的咯咯鳴聲非常引人側目，經常在水池邊產卵。草叢間常見盤古蟾蜍；事實上，它也是臺灣分布最廣、最容易觀察的蟾蜍；秋末至初春為其繁殖期，體型肥厚碩大，不擅於跳躍，不過下雨過後，它們卻常在步道上胡亂衝撞，叫人冷不防嚇了一跳。

爬蟲類也是夏日野外的常客，蜥蜴和蛇類各半。在後段步道上，經常可見黃口攀蜥和斯文豪氏攀蜥出現在路旁樹幹，路旁石塊上常見石龍子和印度蜥蜴，守宮和蝎虎常以涼亭為家。園內比較常見的蛇類包括過山刀、青蛇、茶斑蛇等。

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