A intervenção humana no Parque Natural do Alvão tem determinado a manutenção e o equilíbrio entre as diferentes formas de vida da fauna selvagem. Esta atitude tem contribuído para a diversidade biológica ao serem criadas novas unidades ecológicas (biótopos), como p. ex. campos agrícolas, lameiros e sebes que se associam aos biótopos naturais.
No Parque estão inventariadas cerca de 200 espécies. Destas, cerca de 117 (58%) estão incluídas no anexo II da Convenção de Berna e 44 (22%) constam da lista de espécies ameaçadas do Livro Vermelho dos Vertebrados de Portugal e 10 (5%) são endemismos ibéricos.
Pela sua importância, em termos de conservação para a área protegida, destaca-se o lobo Canis lupus, o morcego-de-bigodes Myotis mystacinus, o morcego-de-franja Myotis nattereri, o morcego-rabudo Tadarida teniotis, a águia-cobreira Circaetus gallicus, o falcão-peregrino Falco peregrinus, a petinha-ribeirinha Anthus spinoletta, o melro-das-rochas Monticola saxatilis, o papa-moscas Ficedula hipoleuca, a gralha-de-bico-vermelho Pyrrhocorax pyrrhocorax e o dom-fafe Pyrrhula pyrrhula.
De modo geral, as espécies animais são típicas de determinados locais, estando ligadas mais a um ou a outro biótopo, onde a sua atividade biológica mais se concentra, ou seja o seu habitat.
O meio aquático (cursos de água e suas margens, charcos, zonas alagadiças, pequenos açudes e lagoas) suporta populações diversas de pequenos macroinvertebrados, como as libélulas ou os alfaiates que alimentam toda uma cadeia trófica que aqui se inicia. Entre as diversas espécies de peixes presentes destaca-se a truta-marisca Salmo trutta, característica de troços mais torrenciais e mais montanhosos dos rios e ribeiras.
Os anfíbios procuram nos charcos, zonas alagadiças, linhas de água, tanques, poços e locais mais húmidos e umbrosos, a água para se reproduzirem ou humedecerem a sua pele nua. Merecem destaque, pela sua raridade ou abundância, a salamandra-lusitânica Chioglossa lusitanica, o tritão-de-ventre-laranja Triturus boscai, a rã-ibérica Rana iberica, a rã-de-focinho-pontiagudo Discoglossus galganoi, o lagarto-de-água Lacerta schreiberi e as cobras-de-água Natrix maura e N. natrix.
Certas aves procuram também as zonas ribeirinhas para seu habitat, como sucede com a galinhola Scolopax rusticola, a narceja Gallinago gallinago, as alvéolas Motacila flava e M. cinerea (também conhecidas como lavandeiras, dado estarem associadas a água), o melro-de-água Cinclus cinclus e o guarda-rios ou pica-peixe Alcedo atthis. A toupeira-de-água Galemys pyrenaicus, e a lontra Lutra lutra são mamíferos que, também aqui, encontram as frescas e límpidas águas da montanha.
Os carvalhais constituem um biótopo importante para a sobrevivência de muitas espécies, encerrando um potencial em biodiversidade elevado. Também assumem particular importância os povoamentos florestais de resinosas, os bosques mistos e os antigos olivais abandonados.
Nas aves, a rola Streptopelia turtur, a poupa Upupa epops, a trepadeira-azul Sitta europaea e o pica-pau-verde ou peto-verde Picus viridis, podem ser encontrados a procurar pequenos insetos nos velhos carvalhos. O açor Accipiter gentilis e o gavião Accipiter nisus são aves de rapina típicas deste meio, instalando o seu ninho e caçando na sua orla, assim como as noturnas coruja-do-mato Strix aluco e mocho-galego Athene noctua que, escondidas no arvoredo, aguardam pacientemente por algum leirão Eliomys quercinus, que passe à sua frente. O búteo ou águia-de-asa-redonda Buteo buteo, talvez a rapina diurna mais comum em Portugal, o tentilhão-comum Fringila coelebs, a estrelinha-de-cabeça-listada Regulus ignicapillus ou a tordeia Turdus viscivorus, ocupam tanto os bosques mistos (compostos por espécies de folha caduca e de folha persistente), como as matas de coníferas. Já o cruza-bico Loxia curvirostra e o bico-grossudo Coccothraustes coccothrautes preferem as matas puras de coníferas ricas em pinhas.
Mais conspícuos e de hábitos muito específicos, certos mamíferos refugiam-se ou procuram o seu alimento neste meio. O corço Capreolus capreolus, o gato-bravo Felis silvestris, o esquilo Sciurus vulgaris e certos mustelídeos como o arminho Mustela erminea, a fuinha Martes foina, o toirão Mustela putorius e a gineta Genetta genetta são disso exemplo.
Os matos e matagais são também importantes biótopos onde uma variada fauna procura o seu habitat. Sendo áreas mais abertas oferecem menos refúgio, sendo mais utilizadas por répteis e aves e alguns mamíferos de menor porte. Sempre que um rasgo de sol penetra na atmosfera é imediatamente procurado pelo sardão Lacerta lepida, pelas lagartixas Podarcis bocagei e P. hispanica ou ainda pelas cobra-bordalesa Coronella girondica e cobra-rateira Malpolon monspessulanus. Nidificando no chão ou nos pequenos arbustos deste biótopo encontram-se o tartaranhão-caçador Circus pygargus, o tartaranhão-azulado Circus cyaneus, a felosa-do-mato Sylvia undata, o cartaxo-preto Saxicola torquata, a ferreirinha Prunella modularis, o picanço-real Lanius excubitor e as petinhas Anthus spp..
As escarpas, falésias e encostas declivosas de montanha são bastante utilizadas pela andorinha-das-rochas Ptyonoprogne rupestris e pelo andorinhão-preto Apus apus, que, em pleno voo, captura os insetos de que se alimenta. Também o peneireiro-comum ou de-dorso-malhado Falco tinnunculus, o bufo-real Bubo bubo, o melro-azul Monticola solitarius e o corvo Corvus corax utilizam este biótopo.
A osga-comum Tarentola mauritanica instala-se nas fendas dos muros, paredes e nas velhas habitações de xisto nas zonas mais secas. Regista-se a presença de espécies da fauna típicas das serranias do norte interior, incluindo algumas espécies raras, ameaçadas ou únicas.