Phong Nha-Kẻ Bàng là nơi sinh sống của 140 loài thú thuộc 31 họ và 10 bộ, nổi bật nhất là hổ và bò tót, loài bò rừng lớn nhất thế giới, 302 loài chim, trong đó có ít nhất 43 loài nằm trong Sách đỏ Việt Nam và 19 loài nằm trong Sách đỏ thế giới; 81 loài bò sát lưỡng cư (18 loài trong Sách đỏ Việt Nam và 6 loài Sách đỏ thế giới); 259 loài Bộ Cánh vẩy; 72 loài cá, trong đó có 4 loài đặc hữu Việt Nam. Năm 1996, ở đây có loài cá mới phát hiện ở Việt Nam. Linh trưởng có 10 loài linh trưởng, chiếm 50% tổng số loài thuộc bộ linh trưởng ở Việt Nam, 7 loài nằm trong Sách đỏ Việt Nam, đặc biệt là voọc Hà Tĩnh, sao la, mang (thú). Phong Nha-Kẻ Bàng được đánh giá là có hệ tự nhiên đa dạng nhất trong tất cả các vườn quốc gia và khu dự trữ sinh quyển quốc gia trên thế giới.