本園區由於早期農墾與密集的人為活動，導致野生動物生育棲地破碎，動物種類和族群數較少，尤其大型哺乳動物及珍禽野鳥等。過去資料顯示，本區原有梅花鹿、黃鸝等動物，現已不可見。目前全園大致以鳥類、蝴蝶及爬蟲、兩生類為主。
本園區內鳥類的種類與數量相當豐富，是北部地區重要的賞鳥地點之一，尤其以大屯山區、二子坪到新北投一帶林木茂密，鳥類數量甚多，本處已將該路線規劃為蝴蝶花廊與賞鳥步道，供民眾在此進行鳥類與蝴蝶的觀察。以鳥類分佈的層次來說，樹林中較常見的山鳥有竹雞、綠繡眼、紅嘴黑鵯，山紅頭、繡眼畫眉等；草原灌叢裡則較容易見到尖尾文鳥、灰頭鷦鶯、粉紅鸚嘴；春秋兩季則可見到赤腹鶇、黑臉鵐等冬候鳥；至於水域常見的鳥類則有小白鷺、白腹秧雞、黃頭鷺、紫嘯鶇、灰鶺鴒及鉛色水鶇等等。除此之外，區內最具代表性的還有五色鳥、臺灣藍鵲等羽色亮麗的野鳥。為了細睹鳥類的風采，望遠鏡是登山賞鳥必備的工具，由於鳥類的叫聲各有特色，您可得練好聽音認鳥與辨位的好功夫。
除了賞鳥之外，陽明山地區也是臺灣北部蝶類的盛產地，以面天山、大屯山一帶最多；一○一甲縣道沿線與二子坪至清天宮路段全年均可見到蝶蹤，每年約五月到八月更是本區最繽紛的蝶季，主要的蝶種包括鳳蝶科的大鳳蝶、烏鴉鳳蝶、白紋鳳蝶和黑鳳蝶等；斑蝶科中的青斑蝶、小青斑蝶、端紫斑蝶、圓翅紫斑蝶等；蛺蝶科中的黑端豹斑蝶、石牆蝶及三線蝶類等最為常見。若論及特殊性，又非臺灣麝香鳳蝶莫屬，其不但外型漂亮，更是臺灣特有種。至於以往曾在區內大量出現的大紅紋鳳蝶則因其幼蟲食草植物馬兜鈴數量的減少及環境的改變，以致數量較以往減少許多。
除了冬天以外，當您沿著林間步道行走，必會驚訝於動物世界的廣闊與生命的無所不在，除了天上飛的，還有地上爬的，水中游的，您必須睜大了眼，才能領會其中的奧妙，例如獨角仙、鍬形蟲、吉丁蟲、叩頭蟲及臺灣北部特有的臺灣角金龜，與隨處可見的螳螂、螽蟴、蟋蟀、蝗蟲、竹節蟲等昆蟲。入夏之後，森林裡此起彼落的鳴蟲吟唱不絕，即為最好的天籟，如最早登場的草蟬、薄翅蟬、蟪蛄與活躍於七、八月的陽明山暮蟬、臺灣騷蟬、熊蟬等等，因種類不同，鳴聲互異。而秋天則是螽蟴、蟋蟀的繁殖季節，交織的鳴蟲吟聲為寂靜的大地增添了幾許熱鬧氣氛。
本園區內的爬蟲類以梭德氏遊蛇、赤背松柏根、草花蛇、花浪蛇數量較多，毒蛇類則以赤尾青竹絲、龜殼花、眼鏡蛇較為常見。因為蛇多，遊客入山應特別注意安全問題；至於蜥蜴類，則以黃口攀蜥和經常出沒於草叢間的印度蜓蜥與麗紋石龍子最為常見。在兩棲類方面，有樹蛙、赤蛙、蟾蜍、小雨蛙等 種，每到夏季夜晚或下雨時，經常可在步道、水澤、樹林、草叢裡看到牠們的身影，其中又以澤蛙、長腳赤蛙、臺北樹蛙及盤古蟾蜍分佈的較廣、數量也較多。
本園因降雨豐沛、水質純淨，為北臺灣本土魚類及蝦蟹類重要生存棲地。鰕虎科魚類最多，其次為鯉科魚類；蟹類全是臺灣特有種，並以溪蟹為主；淡水蝦主要為米蝦和沼蝦屬。
中、小型哺乳動物如臺灣獼猴、臺灣野豬、臺灣野兔、赤腹松鼠、白鼻心、鼬獾、山羌、臺灣鼴鼠等在園區內活動頻繁。雖然人為干擾大，仍有穿山甲與麝香貓等珍貴稀有的保育類動物在本園區內棲息。整體而言，以磺嘴山、鹿角坑溪一帶的哺乳動物多樣性和豐富度最高。