天神川の水域(河道、水際、湿地等)にはイモリやウシガエル、カジカガエル、マムシ等、陸域にはアマガエルやトノサマガエル、ヌマガエル、カナヘビ、シマヘビ、ヤマカガシ、ジネズミ、コウベモグラ等、草地にはハタネズミやカヤネズミ、ヌートリア等、河畔林にはイモリ、ツチガエル、シュレーゲルアオガエルやノウサギ、タヌキ等が生息しています。
また、水系の源流部は国指定の天然記念物であるオオサンショウウオの生息地として知られています。
天神川に生息している主な昆虫類は、河川敷にはイネ科を中心とした草本群落が発達していることを反映して、草本の植食者であるカメムシ類やバッタ類、ハムシ類、ゾウムシ類等や腐植質の地表に生息するコオロギ類やゴミムシ類、またこれらの昆虫の捕食者であるクモ類やキリギリス・コオロギ類、カマキリ類等となっています。
また湿地や止水域にはイトトンボ類やアメンボ類、ゲンゴロウ類、ガムシ類が生息しています。