Le specificità ambientali e la conformazione geomorfologica del territorio del parco costituiscono luogo ideale per la presenza di numerose specie animali di notevole importanza. Una delle specie simbolo della penisola di Capo Caccia è certamente rappresentata dal grifone (Gyps fulvus), un grande avvoltoio dall'imponente apertura alare considerato tra i più grandi viventi in Italia.

Purtroppo tale specie è a rischio estinzione. Nell'isola sono presenti soltanto una decina di coppie censite e tutte vivono nel comprensorio costiero più impervio tra Capo Caccia e Capo Marargiu. La coppia cova un solo uovo ed è quindi a rischio anche la sopravvivenza per il fatto che i grifoni si nutrono di carcasse di animali non comuni come nei decenni passati. Ecco quindi all'interno del parco nella foresta demaniale di Punta Cristallo esiste un carnaio continuamente rifornito di carcasse di animali serbatoio alimentare per le coppie di grifoni.

Decisamente più comuni e meno a rischio di estinzioni altri uccelli come le colonie di Berte maggiori (Calonectris diomedea), Berte minori (Puffinus puffinus), uccelli delle tempeste (Hydrobates pelagicus). E ancora i Marangoni dal ciuffo (Phalacrocorax aristotelis desmarestii), i gabbiani corsi ( Larus audounii). Non mancano inoltre dalle pareti rocciose a picco sul mare di Capo Caccia e Punta Cristallo il Falco Pellegrino (Falco peregrinus) e i piccioni selvatici (Columbia livia) e ancora la Poiana (Buteo buteo), Barbagianni (Tyto alba ernesti) e il Corvo imperiale (Corvus corax). Vi sono poi varie specie di rondoni e passeri.

Non manca certamente la Pernice sarda (Alectoris barbara), l'Occhiocotto (Sylvia melanocephala), la Magnanina (Sylvia undata), lo Zigolo nero (Emberiza cirlus) e lo Scricciolo (Troglodytes troglodytes) e numerose altre specie tipiche della macchia bassa e media. Tra le specie invece caratteristiche della macchia alta e della foresta possono essere menzionati il Fringuello (Fringilla coelebs), la Cinciarella (Parus caeruleus) , la cinciallegra (Parus Major). Di recente insediamento lo Sparviere (Accipiter nisus wolterstorffi) e il Picchio Rosso Maggiore (Dendrocopus major).

Tra i mammiferi più comuni ricordiamo il cinghiale (Sus Scrofa), la Donnola (Mustela nivalis), il Daino (Dama dama), la Volpe (Vulpes vulpes) e diverse specie di topolini. All'interno della foresta demaniale dell'Arca di Noè un trentennio fa sono state introdotti cavalli e asinelli dell'Asinara. Tra i rettili più comuni infine la Testuggine comune (Testudo hermanni) meno presente invece la Testuggine marginata (Testudo marginata).