Сред безгръбначните животни в Парка консервационно значими са 164 вида. Реликтни са 34 вида, а от ендемичните 4 вида са локални и 80 български. В Световната червена книга са включени 16 вида, а в европейската -10. По Директивата за местообитанията се опазват пеперудите лицена (Lycaena dispar), еуфидриас (Euphydryas aurinia), калиморфа (Callimorpha quadripunctaria), от бръмбарите -еленовия рогач, обикновенния и буковия сечко и др.

Природен парк "Странджа" е българската защитена територия с най-богата гръбначна фауна - 404 вида. По своето рибно богатство Паркът е сред първите в Европа. Във вътрешността на Странджа са установени 41 вида сладководни и проходни риби, а още 70 вида обитават крайбрежната акватория. Броят на реликтните видове е голям -9 Понто-Каспийски (запазили се от времето на древното Сарматско море) и 5 бореални реликта (от лат. - Вorealis - северен, видове с произход северните области на Евразия и Северна Америка и достигнали нашите ширини през Кватернерните застудявания).

Ендемични за Черноморския басейн са 6 вида като лупавец, стронгил, лихнус и др. Два вида попчета и морската бяла риба са ендемични за Черноморския и Каспийския басейн. Резовският карагьоз е локализиран единствено по Южното българско крайбрежие. В Световния червен списък са включени 12 вида сладководни риби, а в националната Червена книга -8 вида, сред които дивият шаран и брияната.

На територията на Природния парк са установени 10 вида земноводни - повече от половината от общо 16-те български вида. Застрашени в Световен и европейски аспект са дървесницата, ендемичният подвид на сирийската чесновница и южният гребенест тритон.

В ПП "Странджа" са установени 24 вида влечуги, представящи 70% от богатството на българската херпетофауна. Със световно значение са популациите на 13 вида. Популацията на тракийската черноврата стрелушка -локален ендемичен подвид за Южното черноморско крайбрежие, съставлява половината от световната. Защитени видове са също обикновената и каспийска блатна костенурка, шипобедрената и шипоопашатата костенурка, смокът мишкар, змията червейница, змиегущерът, горският гущер и геконът. 

В границите на Парка са установени 269 вида птици, което представлява две трети от цялата българска орнитофауна. В Парка гнезди световно застрашеният ливаден дърдавец, а за южния белогръб кълвач вековните гори на Странджа са най-важната защитена територия в света. От световна величина са популациите на полубеловратата мухоловка, големия маслинов присмехулник и жалобния синигер, а от европейска - на египетския лешояд, черния и бял щъркел, бухала и четирите вида орли.

Над Странджа преминава вторият по големина прелетен път на птиците в Европа -Via Pontica, който събира ятата на Северна и Източна Европа и Сибир. Над Природния парк фронтът на прелета се стеснява и във върховите дни могат да бъдат наблюдавани огромни ята бели щъркели -до 40 хиляди за ден, и десетки стотици пеликани, осояди, мишелови и кресливи орли. Значението на Парка се допълва и от заливите и устията по Черноморското крайбрежие, използвани от водоплаващите не само за почивка, но и за презимуване.

В границите на Природния парк се размножават 66 вида бозайници. Мечката е изчезнала в края на ХVІІІ в., а присъствието на риса след средата на ХХ век не е достоверно документирано.

Отделни индивиди от тюлена монах спорадично посещават подводните пещери край Силистар.

Прилепите са 25 вида, 13 от които присъстват в Световния червен списък (дългоух, дългопръст и трицветен нощник, южен и малък подковонос, широкоух прилеп и др.).

Дребните бозайници са 27 вида, като в Световния червен списък са 8 вида гризачи (лалугер, три вида сънливци, катерица и др.).

Обичайни за Природния парк сред едрите бозайници са сърната, благородният елен и вълкът. Широко разпространени са дивата свиня и чакалът. Често се срещат лисицата, язовецът, бялката и др. Популациите на видрата и дивата котка са сред най-многобройните в Европа. Редки в Парка са лалугерът и европейският пъстър пор. В Световния червен списък са включени пъстрият пор, видрата и тюленът монах.