Rừng Cúc Phƣơng có hệ sinh thâi khâ phong phú vă đa dạng, gồm 97 loăi thú (trong đó nổi bật nhất lă câc loăi kh chđu Â), 137 loăi chim, 76 loăi bò sât, 46 loăi lƣỡng cƣ, 11 loăi câ vă hăng ngăn loăi côn trùng. Nhiều loăi nằm trong Sâch đỏ Việt Nam
Cúc Phƣơng lă nơi sinh sống của một số quần thể thú quan trọng về mặt bảo tồn, trong đó có loăi linh trƣởng đang bị đe dọa tuyệt chủng trín toăn cầu ở mức đe dọa cực kỳ nguy cấp lă voọc quần đùi trắng vă loăi sẽ bị nguy cấp trín toăn cầu lă Cầy vằn , loăi bâo hoa mai lă loăi bị đe dọa ở mức quốc gia. Cúc Phƣơng cũng có hơn 40 loăi dơi đê đƣợc ghi nhận tại đđy.
Đến nay, đê có 313 loăi chim đƣợc xâc định ở Cúc Phƣơng. Cúc Phƣơng nằm tại vị trí tận cùng phía bắc của vùng chim đặc hữu vùng đất thấp Trung Bộ, tuy nhiín, ch có một loăi có vùng phđn bố giới hạn đƣợc ghi nhận tại đđy lă khƣớu mỏ dăi . Cúc Phƣơng đƣợc công nhận lă một vùng chim quan trọng tại Việt Nam.
Nhiều nhóm sinh vật khâc cũng đê đƣợc điều tra, nghiín cứu ở Cúc Phƣơng trong đó có ốc. Khoảng 111 loăi ốc đê đƣợc ghi nhận trong một chuyến điều tra gần đđy trong đó có 27 loăi đặc hữu. Khu hệ câ trong câc hang động ngầm cũng đê đƣợc nghiín cứu, ít nhất đê có một loăi câ đƣợc ghi nhận tại đđy lă loăi đặc hữu đối với vùng núi đâ vôi, đó lă Câ niết hang Cúc
Phƣơng. Cúc Phƣơng đê xâc định đƣợc 280 loăi bƣớm, 7 loăi trong số đó lần đầu tiín đƣợc ghi nhận ở Việt Nam tại Cúc Phƣơng văo năm 1998.