I Omo nasjonalpark er det registrert 79 pattedyrarter, 312 fuglearter, minst 13 fiskearter og et titalls krypdyrarter. Av pattedyr finnes det flokker av afrikansk bøffel, sebra, eland, kuantiloper og grants gaselle. Arter som er relativt vanlige omfatter løve, sjiraff, struts, stor kudu, hyene og vortesvin. Geparder finnes også, men er sjeldne. Elefanter kan også forekomme, men bare i visse årstider. I nærheten av elvene finnes primatene guerezacolobus-ape og brazzamarekatt - i tillegg til flodhester og store krokodiller. Ved Illilbai varme kilder midt i parken er det mulig å observere mange forskjellige dyr når de kommer for å drikke om morgenen og kvelden. Slangearter som lever i parken er blant annet klippepyton, svart mamba og svarthalset spyttekobra.