El catálogo faunístico es otro de los valores del futuro Parque Natural del Moncayo, con 165 especies de vertebrados catalogados: pero también interesantes representantes de los insectos, porque cuenta con 3 escarabajos protegidos como la Rosalía (rosalia alpina), que aunque de momento solo se ha localizado en hayedos de la vertiente zaragozana, es muy probable que también habite en el lado soriano. El catálogo de mariposas también es impresionante: 131 especies, que son más de la mitad de las que hay en toda la península ibérica.

El catálogo de animales vertebrados también proporciona cifras impresionantes, mostrando el valor de esta sierra que actúa de verdadero reservorio de biodiversidad: 11 anfibios, 14 reptiles, 36 mamíferos y 102 aves son las especies catalogadas en el Moncayo soriano. Entre esta notable cantidad de elementos faunísticos podemos destacar al Tritón palmeado (Lissotriton helveticus), especie atlántica que tiene en el Moncayo sus poblaciones más sureñas de Europa. Entre los mamíferos, destacan los murciélagos, con 16 especies distintas en la zona y una colonia, precisamente en Cueva de Soria, con cuatro especies distintas y hasta 450 ejemplares en alguno de los censos que se han realizado, mostrando la importancia de este enclave para la conservación de los quirópteros en Castilla y León.

Pero si un grupo faunístico es destacable en la zona es el de las aves, con más de un centenar de especies nidificantes, adaptadas a la diversidad de paisajes que cuenta esta sierra. Entre ellas, podemos destacar dos adaptadas a las altas cumbres: la Perdiz pardilla (Perdix perdix) que en encuentra en el Moncayo su límite meridional de toda Europa y sobre todo el Quebrantahuesos (Gypaetus barbatus), imponente rapaz carroñera de casi 3 metro de envergadura, con una dieta especializada en huesos que rompe al lanzarlos desde la altura sobre las piedras. A punto de extinguirse en España hace unas décadas, los programas de recuperación han permitido que desde el Pirineo vayan repoblando poco a poco antiguas zonas de su distribución, como las Sierras de Segura y Cazorla en el sur o Picos de Europa en el norte. En el Moncayo se han visto numerosos ejemplares divagantes, y también se ha constatado el intento de nidificación en los últimos años, lo que alberga esperanzas de recuperar esta impresionante rapaz ibérica en las cumbres castellanas y leonesas de la Sierra del Moncayo.