VQG Cát Tiên có hệ động vật đa dạng và phong phú về thành phần loài, các loài quý hiếm có ý nghĩa bảo tồn nguồn gen trên toàn thế giới. Khu hệ động vật của VQG Cát Tiên có những nét đặc trưng của khu hệ động vật vùng bình nguyên Đông Trường Sơn, có quan hệ chặt chẽ với Tây Nguyên.
Nhóm thú
Cho đến nay, các nghiên cứu đã ghi nhận được ở Cát Tiên có 113 loài thú, thuộc 38 họ và 12 bộ. Trong đó có tới 43 loài thú đang bị đe doạ tuyệt chủng trong nước và trên toàn cầu với 38 loài có tên trong Sách đỏ Việt Nam (2007). Ngoài ra, còn có 18 loài và phân loài thú là đặc hữu cho tiểu vùng địa sinh học Đông Dương và đặc biệt có 3 loài và phân loài là đặc hữu cho Việt Nam là chà vá chân đen, tê giác một sừng Việt Nam và hoẵng Nam bộ.
Tỷ lệ các loài đặc hữu cao đã nâng cao tầm quan trọng của VQG Cát Tiên đối với công tác bảo tồn đa dạng sinh học trong nước và trên thế giới.
Nhóm chim
Gồm 351 loài thuộc 64 họ của 18 bộ. Trong đó có 17 loài quí hiếm đã được phát hiện và có tên trong sách đỏ Việt Nam. Nếu so sánh với cấu trúc thành phần loài của khu hệ chim Việt Nam, thì có thể nói Cát Tiên là một “đất nước thu nhỏ” của các loài chim rừng Việt Nam. Khu hệ chim Việt Nam có 19 bộ thì Cát Tiên có 18 bộ (94,74% tổng số bộ chim Việt Nam), 64 họ chiếm đến 79,01% tổng số họ chim của Việt Nam (81 họ). Với 351 loài chim chiếm 42,39% tổng số loài chim của Việt Nam (828 loài). Một số loài chim quí hiếm có ở Cát Tiên như: hạc cổ trắng, công, già đẫy java, quắm cánh xanh, ngan cánh trắng, gà so cổ hung.
VQG Cát Tiên nằm trong vùng chim đặc hữu (EBA) vùng đất thấp nam Việt Nam, có quần thể của 3 loài chim trong vùng chim đặc hữu là: gà so cổ hung, gà tiền mặt vàng, chích chạch má xám.
Nhóm bò sát và lưỡng cư
Các loài bò sát có 109 loài thuộc 17 họ và phân họ, 4 bộ, trong đó có 18 loài có tên trong Sách Đỏ Việt Nam như: cá sấu Xiêm, trăn gấm, trăn đen…
Các loài lưỡng cư có 41 loài thuộc 6 họ, 2 bộ trong đó có 3 loài được ghi tên trong sách đỏ Việt Nam như cóc mắt chân dài, cóc rừng, chàng Andecson.
Nhóm côn trùng
Hiện nay đã ghi nhận được 756 loài thuộc 68 họ, 10 bộ. Riêng các loài bướm đã xác định được 450 loài, chiếm hơn 50% tổng số loài bướm được ghi nhận ở Việt Nam. Các loài quý hiếm có 2 loài là bướm phượng (Sách Đỏ Việt Nam năm 2007) và bướm phượng cánh sau vàng, bướm phượng cánh kiếm...
Nhóm cá nước ngọt
Gồm 159 loài, thuộc 29 họ, 9 bộ. Trong đó, có 1 loài nằm trong Sách Đỏ Việt Nam năm 2007 và Sách Đỏ IUCN 2008.
