El parque cuenta con una rica variedad de aves rapaces, con 18 especies registradas aquí, incluyendo águilas calzadas, águilas culebreras, águilas perdiceras, halcones, cernícalos, buitres comunes, búhos reales, gavilanes y azores. En las cumbres más rocosas hay colonias de alimoches.

A lo largo de los cursos de agua hay martines pescadores, vencejos y mirlos acuáticos. En los alcornocales hay abubillas, herrerillos, oropéndolas y currucas perdiceras. Al estar situado cerca del Estrecho de Gibraltar, los alcornocales suelen estar llenos de rapaces migratorias en primavera y otoño. La región está habitada por muchos mamíferos, entre ellos mangostas egipcias, zorros, tejones, ginetas y lirones. En los ríos hay nutrias y terrícolas.

La región también es rica en animales de caza como el jabalí, mientras que el gamo y el corzo se han introducido con éxito y prosperan. La caza es una actividad muy popular y en los alrededores de Cortes de la Frontera hay una reserva nacional de caza. La mayor finca de Europa es la Finca La Almoraima, que ocupa 16.000 hectáreas cerca de Castellar de la Frontera y es una de las reservas de caza más exclusivas de España. También se ha introducido en el parque la cabra montés. El parque alberga una impresionante variedad de murciélagos: 20 especies de murciélagos habitan las cuevas del parque, de un total de 22 especies registradas en toda Andalucía.