Il territorio del Parco si contraddistingue per la grande ricchezza e varietà faunistica, che presenta anche elementi di grande interesse scientifico. L’elevata estensione dei boschi, specialmente quelli di alto fusto, i boschi cedui invecchiati in conversione, la presenza di molte piante di notevoli dimensioni e di differente età, l’esistenza di ambienti diversificati e di tipologie vegetazionali differenti, la scarsa densità abitativa dell’uomo, sono tutti elementi che fanno del Parco un territorio ottimale per la presenza e diffusione della fauna selvatica, sia vertebrata che invertebrata.
Tra la fauna vertebrata quella di maggiore fascino è rappresentata dai grandi mammiferi, in particolare dagli ungulati, che sono presenti con cinque specie - Cervo, Daino, Capriolo, Cinghiale e Muflone - e dal Lupo, il più grande predatore presente oggi nel Parco. La ricchissima avifauna comprende attualmente circa un centinaio di specie nidificanti, tra cui specie a distribuzione centro europea, come il Rampichino alpestre e il Ciuffolotto, e specie mediterranee, come la Sterpazzolina e lo Zigolo nero. Gli estesi boschi d’alto fusto consentono la presenza delle specie maggiormente specializzate e selettive, numerosi uccelli, infatti, utilizzano per la nidificazione le cavità dei tronchi di vecchi alberi: Allocco, Cincia mora, Cincia bigia e Cinciarella, Picchio muratore, Picchio rosso minore e maggiore, Picchio verde e Picchio nero. Le numerose aree ecotonali e gli ambienti aperti ospitano una ricca avifauna, tra cui il Calandro, l’Averla piccola e la Tottavilla. Tra i rapaci, oltre a quelli meno specializzati come Falco pecchiaiolo e Lodolaio, sono presenti specie silvane come Sparviere e Astore. Sulle aspre rupi del versante romagnolo nidificano l’Aquila reale, il Gufo reale e il Falco pellegrino. Elevato è il numero dei chirotteri, circa i due terzi di quelli italiani, con una forte presenza di specie forestali. Nel Parco vivono 12 specie di anfibi, tra cui segnaliamo per la loro importanza e rarità la Salamandrina di Savi, endemica della nostra penisola, il Tritone alpestre, che ha qui le stazioni più meridionali in Italia, la Salamandra pezzata e il piccolo Geotritone italiano, endemico della nostra penisola. Delle 11 specie di rettili quello più noto e ingiustamente temuto è sicuramente la Vipera, importante anello della catena alimentare. Sono presenti anche il Colubro d’Esculapio, l’elegante e velocissimo Biacco, il Colubro liscio ed il Colubro di Riccioli. Chiudono l’elenco degli ofidi la Natrice dal collare e la Biscia tassellata. Ricchissima è l’entomofauna, specialmente quella sostenuta dal legno morto negli ambienti forestali, tra cui sono presenti molte specie, endemiche italiane e appenniniche, e molte specie relitte o isolate. Tra tutte citiamo la bellissima Rosalia alpina.