Gambella nasjonalpark er leveområde for et rikt dyreliv. 41 forskjellige arter av større pattedyr er registrert her. De vanligste er afrikansk bøffel (kafferbøffel), sjiraff, vannbukk, ulike antilope-arter som trekker til og fra områder i nabolandet Sør-Sudan, sebra, vortesvin, flodhest og elefant. I elvene lever nilkrokodiller samt mange fiskearter (i elven Baro er det fanget nilabbor på opptil 100 kg). Av fugler er det antatt at minst 300 arter har tilholdssted i nasjonalparken. Av truede fuglearter som i en årrekke er observert i parken er treskonebb og mesopotamiasanger.