Nel territorio del Parco sono presenti molte specie di animali che fanno di quest’area una delle più interessanti di tutto l’Appennino anche dal punto di vista 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 vegetali differenti, la scarsa densità abitativa dell’uomo, sono tutti elementi che fanno del Parco un territorio ottimale per la presenza e la 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 - capriolo, cervo, cinghiale, daino e muflone - e dal lupo, il più grande predatore presente oggi nel Parco. Il capriolo è l’ungulato più piccolo e diffuso, mai scomparso dal territorio casentinese a differenza di quanto accaduto su gran parte dell’Appennino. Il cervo lo si incontra nei boschi alternati a spazi aperti, ma si adatta bene a vivere anche negli estesi boschi ad altofusto; in autunno questi grandi ed austeri ungulati emettono potenti bramiti che segnalano la stagione degli amori e si diffondono nelle vallate. Il capriolo e il cervo sono specie autoctone, mentre il daino ed il muflone sono stati introdotti nel Parco e la loro presenza è limitata a causa della rigidità del clima, della concorrenza con il cervo e della predazione del lupo. Il cinghiale è stato introdotto sembra da alcuni cacciatori che hanno scelto la razza ungherese che si riproduce con molti cuccioli e che ha causato vari problemi. Con l'introduzione del lupo si è ristabilito un certo equilibrio.La ricchissima avifauna comprende attualmente circa un centinaio di specie nidificanti, tra cui specie a distribuzione centroeuropea, come il rampichino alpestre, il ciuffolotto e il merlo dal collare, e specie mediterranee, come l’occhiocotto, la sterpazzolina e lo zigolo nero. Gli estesi boschi d’alto fusto consentono la presenza delle specie più interessanti e selettive; numerosi uccelli, infatti, utilizzano le cavità dei tronchi di vecchi alberi per la nidificazione: allocco, cincia mora, cincia bigia, cinciarella, picchio muratore, picchio rosso minore, picchio rosso maggiore e picchio verde. Le abetine e gli impianti di conifere danno albergo a pochi uccelli, come i piccoli regolo e fiorrancino.
Le numerose aree ecotonali e gli ambienti aperti ospitano una ricca avifauna, tra cui il calandro, il culbianco, il codirossone, l’averla piccola e la tottavilla. Tra i rapaci, oltre a quelli meno specializzati, come il falco pecchiaiolo e lodolaio, sono presenti specie silvane come lo sparviero e l’astore. Sulle aspre rupi del versante romagnolo nidificano il gufo reale e il falco pellegrino e - dopo decenni di abbandono - è ritornata a nidificare l’aquila reale. Nelle aree montane più aperte nidificano il prispolone, lo zigolo muciatto e nei cespuglieti prossimi ai crinali la passera scopaiola. Nel Parco vivono tredici specie di anfibi, tra cui segnaliamo, per la loro importanza e rarità, la salamandra dagli occhiali, endemica della nostra penisola e caratterizzata dal ventre chiazzato rosso vivo, la salamandra pezzata, dall’inconfondibile livrea gialla e nera, il tritone alpestre ed il piccolo geotritone italiano, endemico della nostra penisola.