Nel Parco la biodiversità è tutelata e durante gite ed escursioni è possibile awistare numerose specie animali. Negli squarci di cielo sovrastante la gola di Frasassi non è raro poter osservare il volteggiare dell'aquila reale, che da sempre nidifica sulle aspre pareti sovrastanti il torrente Sentino.
Tra i rapaci si segnalano anche altre interessanti presenze: la poiana, il gheppio, lastore, il lanario, il falco, l'albanella minore, il gufo reale, la civetta. Il nibbio reale è stato protagonista di un'importante campagna di ripopolamento attuata dal Parco. Tra gli uccelli si segnalano inoltre la ghiandaia, il pettirosso, la cornacchia, il fagiano, il merlo acquaiolo, etc.
Tra i mammiferi da qualche anno si registra il ritorno del lupo appenninico, del daino e del capriolo. Al crepuscolo, in prossimità delle riserve d'acqua di fiumi e torrentelli, è possibile incontrare il cinghiale, il tasso, l'istrice, la volpe, lo scoiattolo, le lepre. L'ambiente fluviale è ricco di trote, barbi, cavedani e ciprinidi oltre che del rarissimo granchio di fiume.
Nei pressi dei torrenti e dei fossi minori trovano habitat ideale il gambero d'acqua dolce, numerosi tritoni e la salamandrina dagli occhiali. Le grotte sono frequentate da decine di specie di pipistrelli, oppure dal geotritone - un anfibio urodelo simile a una salamandra - e dai niphargus, un piccolo crostaceo totalmente depigmentato che ne popola i laghetti.
