La fauna del Parco è estremamente ricca e variegata. Sino a qualche decennio fa predatori come il lupo, l’orso bruno, la lince, l’avvoltoio, l’aquila reale, ma anche erbivori come lo stambecco, il cervo, il capriolo o i roditori come la marmotta erano praticamente scomparsi dal Parco. Grazie alla tutela offerta dal Parco e a specifici progetti di reintroduzione, nel parco si sentono di nuovo i fischi d’allarme della marmotta sui prati d’alta quota, consistenti sono le popolazioni di cervo, di capriolo e di camoscio, frequenti i voli dell’aquila reale, sono stabili le presenze dei tetraonidi come il fagiano di monte, il gallo cedrone e la pernice bianca. I grandi carnivori stanno ora tornando stabilmente nel Parco: in particolare nel 2016 vi sono stati i primi avvistamenti di lupo, ed ora alcuni esemplari di questa specie ne frequenta il territorio.
Tra i mammiferi, sicuramente i più appariscenti dell’area protetta sono gli ungulati; tra questi, oltre al cervo, troviamo il capriolo, ben distribuito in tutto il territorio del Parco, ma con densità inferiori al passato anche a causa dell’aumento della popolazione di cervo, che sta conoscendo un momento di grande dinamicità: dai pochi esemplari usciti fortuitamente dal recinto di Paneveggio nel 1963 vi è ora una popolazione che gravita nei Bacini idrografici del Cismon, del Travignolo e del Vanoi che supera abbondantemente i 1500 esemplari. Anche il camoscio è ben rappresentato anche se una epidemia di rogna sarcoptica ne ha ridotto qualche anno fa la consistenza. Lo stambecco, reintrodotto nel 2000 dal Parco, ha costituito una colonia nella porzione orientale delle Pale di San Martino; la sua costante crescita numerica è stata anch’essa negli anni scorsi condizionata dall’epidemia di rogna sarcoptica.
Fra gli altri vertebrati sono presenti moltissimi mammiferi e uccelli tipici dell’ambiente montano. Tra essi spiccano il gallo cedrone (Tetrao urogallus), il più grande fra i galliformi alpini e il fagiano di monte o gallo forcello (Tetrao tetrix). La pernice bianca (Lagopus muta) vive ad altitudini maggiori, nelle praterie alpine, mentre il francolino di monte (Bonasa bonasia), è il tetraonide forestale per eccellenza. Il gufo reale (Bubo bubo), assieme all’aquila reale (Aquila chrysaetos) sono gli unici superpredatori alati presenti nel territorio del Parco. Tra i picidi presenti con 6 specie accertate, ricordiamo il raro picchio tridattilo (Picoides tridactylus), del quale si è scoperta le presenza nel territorio del Parco solo da pochi anni. Tra le altre componenti dell’avifauna si possono ricordare ancora il raro picchio muraiolo (Tichodroma muraria), frequentatore delle pareti rocciose d’alta quota; un cenno particolare va fatto alla presenza, come nidificante, del re di quaglie (Crex crex), che frequenta le aree prative del Parco. Una recente ricerca eseguita nel territorio del Parco, ha appurato che nel periodo riproduttivo vi sono almeno 84 specie di uccelli.
Fra gli anfibi sicuramente la specie più interessante è la salamandra alpina (Salamandra atra); ritenuta rara sino a qualche anno fa rara, la si può incontrare con relativa facilità negli ambienti detritici e nei boschi d’alta quota dei basamenti dolomitici del Parco. I corsi d’acqua sono popolati da trote fario (Salmo trutta fario), mentre nei laghetti d’alta quota è accertata la presenza del salmerino alpino (Salvelinus alpinus) e della sanguinerola (Phoxinus phoxinus).Tra gli invertebrati i Lepidotteri papilionoidei rappresentano la componente maggiormente osservabile, composta da un centinaio di specie. Alcune di queste rappresentato delle vere e proprie rarità, quale ad esempio il parnassio apollo (Parnassius apollo).
