Rừng Cỳc Phƣơng cú hệ sinh thỏi khỏ phong phỳ và đa dạng, gồm 97 loài thỳ (trong đú nổi bật nhất là cỏc loài khỉ chõu Á), 137 loài chim, 76 loài bũ sỏt, 46 loài lƣỡng cƣ, 11 loài cỏ và hàng ngàn loài cụn trựng. Nhiều loài nằm trong Sỏch đỏ Việt Nam
Cỳc Phƣơng là nơi sinh sống của một số quần thể thỳ quan trọng về mặt bảo tồn, trong đú cú loài linh trƣởng đang bị đe dọa tuyệt chủng trờn toàn cầu ở mức đe dọa cực kỳ nguy cấp là Voọc quần đựi trắng và loài sẽ bị nguy cấp trờn toàn cầu là Cầy vằn , loài Bỏo hoa mai là loài bị đe dọa ở mức quốc gia. Cỳc Phƣơng cũng cú hơn 40 loài dơi đó đƣợc ghi nhận tại đõy.
Đến nay, đó cú 313 loài chim đƣợc xỏc định ở Cỳc Phƣơng. Cỳc Phƣơng nằm tại vị trớ tận cựng phớa bắc của vựng chim đặc hữu vựng đất thấp Trung Bộ. Tuy nhiờn, chỉ cú một loài cú vựng phõn bố giới hạn đƣợc ghi nhận tại đõy là khƣớu mỏ dài . Cỳc Phƣơng đƣợc cụng nhận là một vựng chim quan trọng tại Việt Nam.
Nhiều nhúm sinh vật khỏc cũng đó đƣợc điều tra, nghiờn cứu ở Cỳc Phƣơng trong đú cú ốc. Khoảng 111 loài ốc đó đƣợc ghi nhận trong một chuyến điều tra gần đõy trong đú cú 27 loài đặc hữu. Khu hệ cỏ trong cỏc hang động ngầm cũng đó đƣợc nghiờn cứu, ớt nhất đó cú một loài cỏ đƣợc ghi nhận tại đõy là loài đặc hữu đối với vựng nỳi đỏ vụi, đú là Cỏ niết hang Cỳc Phƣơng. Cỳc Phƣơng đó xỏc định đƣợc 280 loài bƣớm, 7 loài trong số đú lần đầu tiờn đƣợc ghi nhận ở Việt Nam tại Cỳc Phƣơng vào năm 1998.