Завдяки наявності на значній площі природних і малоокультурених ландшафтів територія парку відзначаються багатим видовим складом тварин.
Унікальними є фауністичні комплекси Українських Карпат, що характеризуються чітко вираженою висотною поясністю клімату, ґрунтів та рослинного покриву. Склад фауни надзвичайно строкатий. Дуже поширені представники хвойних лісів Східної Європи і сибірської тайги (глухар (Tetrao urogallus L.)). Зустрічаються елементи як степової так і альпійської фауни (тритон альпійський (Triturus alpestris (Laur.)), бурозубка альпійська (Sorex alpinus Schinz)). Чимало тут і карпатських ендеміків (білка карпатська (Sciurus vulgaris L.), кіт лісовий (Felis silvestris Schreber), олень благородний (Cervus elaphus L.), рись звичайна (Lynx lynx (L.)). У зв’язку з цим багато зоогеографів виділяють Українські Карпати в самостійний зоогеографічний Карпатський округ. У національному парку широко представлені всі основні класи тварин: Mammalia (мамалофауна), Aves (орнітофауна), Reptilia (герпетофауна), Amphibia (амфібії), Actinopterygii (іхтіофауна), Insecta (ентомофауна).
Безхребетних тварин тут налічується, за попередніми підрахунками, не менше 1500 представників, їх видовий склад вивчений ще явно недостатньо. З раритетних представників (занесені до Червоної книги України, Червоного списку МСОП і Європейського Червоного списку) виявлені п'явка медична (Hirudo medicinalis L.), стрічкарка тополева (Limenitis populi), райдужниця велика (Apatura iris (L.)), сатир Манто (Erebia manto (Den. et Schiff.)), мурашка руда лісова (Formica rufa L.)), слимак виноградний (Helix pomatia L.) та інші.
Окрім того, з наземних молюсків тут встановлене перебування равлика волохатого Любомирського (Plicuteria lubomirskii (Slos.)) та равлика волохатого Більца (Trichia bielzi (A. Schm.)), які є ендеміками відповідно Західних і Східних Карпат.
Також для території НПП «Черемоський» характерне поширення більше половини хребетних від загальної їх кількості, які представлені в фауністичному комплексі Буковинських Карпат. Близько десятьма видами представлені хижаки: лисиця (Vulpes vulpes (L.)), вовк (Canis lupus (L.)), бурий ведмідь (Ursus arctos (L.)), борсук (Meles meles (L.)), рись (Lynx lynx (L.)). Із парнокопитних тут живуть дика свиня (Sus scrofa (L.)), благородний олень (Cervus elaphus L.), європейська косуля (Capreolus capreolus (L.)).
Досить поширені заєць (Lepus europaeus (Pall.)) і білка карпатська (Sciurus vulgaris L.), видри (Lutra lutra (L.)), полівки. Різноманітністю відзначається також пташина фауна парку – сичі (Aegolius funereus (L.), Glaucidium passerinum (L.)), беркут (Aquila chrysaetos (L.)), яструби (Accipiter gentilis (L.), Accipiter nisus (L.)), глухар (Tetrao urogallus L.)), види горобцевих та воронових.
На основі узагальнених матеріалів польових досліджень, зібраних науковцями Обласного краєзнавчого музею та науковими співробітниками Парку протягом останнього десятиліття, а також у результаті опрацювання літературних джерел і музейних колекцій, у межах HПП «Черемоський» встановлене перебування 217 хребетних (належать до 71 родини, 27 рядів і 6 класів) та 1320 видів безхребетних тварин (належать до 153 родин, 30 рядів і 13 класів). Список включає: 58 видів ссавців, 132 – птахів, 6 – плазунів, 6 – земноводних, 14 – риб, 1 – міног, 29 – черевоногих молюсків, 1229 – комах, 2 - тромбідіформних кліщі, 1 - іксодові кліщі, 9 - павуків, 10 – ногохвісток, 1 - вищих ракоподібних, 13 – щелепоногих раків, 5 – зяброногих раків, 2 – п’явок, 10 – малощетинкових червів, 1 – волосових, 3 – нематод, 4 – війчастих червів, 1 – гідроїдних. Загалом попередній склад фауни становить 1537 видів.
Серед всіх видів фауни, що представлені на території національного парку, 78 видів занесено до оновленого списку червонокнижних видів, зокрема, карпатський та альпійський тритони (Lissotriton montandoni (Boul.) та Triturus alpestris (Laur.)), саламандра плямиста – (Salamandra salamandra (L.)), беркут (Aquila chrysaetos (L.)), глухар (Tetrao urogallus L.)), чорний лелека (Ciconia nigra (L.)), кутора мала (Neomys anomalus Cab.), кажани, 40 – до Червоного списку МСОП: видра річкова (Lutra lutra (L.)), п'явка медична (Hirudo medicinalis L.), лосось дунайський (Hucho hucho L.), 30 - до Європейського Червоного списку: підковики (великий – Rhinolophus ferrumequinum (Schreb.), малий – Rhinolophus hipposideros (Bech.)), мінога українська (Eudontomyzon mariae (Berg)). 33 види фауни занесені до Регіонального Червоного списку, 64 види тварин занесені до другого та третього додатків Бернської конвенції; 57 – до Боннської конвенції; 8 видів до другог і 7 до третього додатку Вашингтонської конвенції.
До другого додатку Директиви Європейського Союзу щодо збереження типів оселищ та видів природної фауни і флори занесено 23 види тварин, до четвертого 38 і до п'ятого 7. До першого додатку Директиви Європейського Союзу щодо охорони диких видів птахів – 37 видів орнітофауни, до другого частина А 7 видів, частина Б 16 видів, до третього частина А 3 види і частина Б також 3 види.