La elevada variedad de ambientes de montaña favorece el desarrollo de un gran número de especies de fauna,  muchas de ellas incluidas en el Catálogo Regional de Especies Amenazadas.

Es especialmente representativa e importante la amplia representación de comunidades de aves que nidifican en los escarpes y los pinares submediterráneos, destacando por su importancia rapaces como el águila perdicera, el águila real, el halcón peregrino, el alimoche, el águila calzada, el búho real, el azor y, la más numerosa, el buitre leonado.

Además de las rapaces existe una amplia representación de aves, fundamentalmente de las asociadas a las arboledas, roquedos y sotos de riberas, entre las que se puede destacar al pico picapino, chotacabras, diversas especies de zorzales, chova piquirroja, mirlo acuático, la garza real y diversas especies de paseriformes forestales. También existe una destacada presencia de aves acuáticas y palustres, especialmente importante en la Laguna de Uña.

Entre los mamíferos, las poblaciones más llamativas se corresponden con las distintas especies de ungulados silvestres presentes en el Parque Natural, entre las que destacan las poblaciones de carácter autóctono de ciervo, cabra montés, corzo y jabalí, acompañadas de otras dos especies introducidas a mediados del siglo XX, el gamo y el muflón. Tienen especial interés las poblaciones de ardilla roja, mustélidos (garduña, tejón y nutria) y otros carnívoros como el gato montés. Importanes poblaciones de murciélagos se hallan presentes en el Parque, muchas de ellas asociados al medio troglodita (cuevas), aunque también las hay que utilizan las oquedades de los árboles como refugio y lugar de cría.

La presencia de la fauna piscícola viene determinada por la naturaleza de los cursos de agua presentes en el Parque Natural, todos ellos cabecera y curso alto de los río Río Júcar y Tajo y sus afluentes. Son cursos eminentemente trucheros en los que destaca la presencia de poblaciones de gran pureza genética de la trucha común. Esta especie se encuentra acompañada de algunos ciprínidos, entre los que cabe resaltar el barbo, la bemejuela y el cacho.

En cuanto a la fauna invertebrada destaca la presencia de una gran parte de las poblaciones de cangrejo de río autóctono tanto de la provincia como de la región, confinadas en cursos elevados de los diversos ríos y arroyos del Parque Natural. Por otro lado hay que destacar las importantes poblaciones de diversas especies de insectos y algunos crustáceos, muchos de ellos asociados al medio acuático, perteneciendo los más reseñables a los grupos de los lepidópteros (mariposas, entre las que la más llamativa y relativamente abundante es la Graellsia isabellae o isabelina), coleópteros (escarabajos), ortópteros (saltamontes) y odonatos (libélulas), con presencia de algunos endemismos de gran interés.