Phong Nha - Kẻ Bàng cú khu hệ thỳ tương đối phong phỳ, đặc biệt là thành phần cỏc loài thỳ. Nhiều loài bị đe dọa đó tập trung ở đõy như: Hổ, Gấu, Sơn dương, Mang lớn, Súi đỏ, Voi, Bỏo hoa mai...
Do cú vựng nỳi đỏ vụi rộng lớn nhiều hang động, nhiều nguồn thức ăn, dõn cư thưa nờn cỏc loài Linh trưởng (Primates) đặc biệt phỏt triển. Đó thống kờ 10 loài và phõn loài Linh trưởng, chiếm 43% tổng số loài Linh trưởng của Việt Nam.
Cả 10 loài đều đó được ghi vào trong Nghị định 18/HĐBT ngày 17/1/1992 của Hội đồng Bộ trưởng, và được ghi vào Sỏch đỏ Việt Nam, 3 loài đặc hữu hẹp (strictly endemic) là Voọc Hà Tĩnh (Trachypithecus francoisi hatinhensis), Chà vỏ chõn nõu (Pygathrix nemaeus), Vượn đen mỏ trắng (Hylobates leucogonis) và 1 loài đặc hữu Đụng Dương là Cu ly lớn (Nycticebus coucang). Đõy là nơi phõn bố duy nhất của quần thể loài Voọc Hà tĩnh ở Việt Nam và thế giới (xem phụ lục)
Hang động ở Phong Nha- Kẻ Bàng cũng là nơi tập trung nhiều loài dơi nhất ở Việt Nam. Đó cú 46 loài dơi được ghi nhận cú mặt tại VQG chiếm 43% tổng số loài, đõy cũng chớnh là nơi cú tiềm năng lớn về bảo tồn Dơi của Việt Nam.
Chim - VQG là sinh cảnh của 338 loài chim trong số 828 loài chim được ghi nhận ở Việt Nam. Trong số cỏc loài chim ở VQG cú 20 loài được ghi trong sỏch Đỏ Việt Nam và 17 loài được ghi trong Sỏch đỏ IUCN 2006. Đỏng chỳ ý cú 7 loài chim đặc hữu cho dóy Trường Sơn với 4 loài đặc hữu cho Việt Nam và 1 loài Khướu đỏ mun Stachyris herberti là loài mới cho khoa học, cú phõn bố hẹp mới chỉ tỡm thấy ở vựng nỳi đỏ thuộc VQG Phong Nha - Kẻ Bàng.