北京動物園擁有多種珍稀動物，其中包括：
熊貓館。這裏展示了包括著名的萌蘭、天天、萌寶和萌玉在內的多隻大熊貓。萌蘭以其調皮搗蛋的性格著稱，而丫丫則是最近迴歸的，目前不對外展出。
火烈鳥館。雖然火烈鳥館位於室內，但依然可以欣賞到這些美麗鳥類的風采。
獅虎山。遊客可以通過地上或地下的棧道近距離觀察這些大型貓科動物。
其他動物包括金雕、蒙古百靈、金冠樹八哥等多種鳥類，以及紅臉地犀鳥、雙角犀鳥等珍稀動物。哺乳動物部分包括獵豹、歐亞猞猁、亞洲黑熊、黃喉貂、灰狼、黑猩猩、川金絲猴、滇金絲猴、黔金絲猴、天行長臂猿、北白頰長臂猿、亞洲象、非洲草原象、河馬等多種動物。
北京動物園還擁有多種爬行動物和海洋生物，如中華鱘、揚子鱷、瑤山鱷蜥、緬甸蟒、網紋蟒、亞伯達拉象龜、綠海龜等。