Из беспозвоночных животных в Парке в охране нуждаются 164 вида.Реликтовыми являются 34 вида, а из эндемичных 4 вида местные и 80 болгарские. В Международную красную книгу включены 16 видов, а в Европейскую – 10. По Директиве "Об охране естественных мест обитания и дикой фауны и флоры" охраняются бабочки червонец непарный (Lycaena dispar),  шашечница авриния (Euphydryas aurinia), медведица четырёхточечная (Callimorpha quadripunctaria), из жуков – жук-олень (Lucanus cervus), большой дубовый усач (Cerambyx cerdo), моримус тёмный (Morimus funereus) и др.Природный парк «Странджа» - болгарская охраняемая территория с наиболее богатой позвоночной фауной – 404 вида.По своему рыбному богатству Парк среди первых в Европе. В пределах Странджи зафиксирован 41 вид пресноводных и проходных рыб, а ещё 70 видов обитают в прибрежной акватории. Количество реликтовых видов значительно – 9 Понто-Каспийских (сохранившихся с времён древнего Сарматского моря) и 5 бореальных реликта (от lat. – Вorealis – северный, виды, произошедшие из северных областей Евразии и Северной Америки и достигшие наших широт во время Четвертичных оледенений).

Для Черноморского бассейна эндемичны 6 видов, такие как вырезуб, бычок-кругляк, бычок-кнут и др. Два вида бычков и морской судак эндемичны для Черноморского и Каспийского бассейна. Резовский пузанок локализован единственно по Южному болгарскому побережью. 

На территории Природного парка установлены 10 видов земноводных – больше половины всех 16 видов в Болгарии. В Международную красную книгу включено 12 видов пресноводных рыб, а в национальную Красную книгу – 8 видов, среди которых сазан и шемая.

К видам, находящимся под угрозой вымирания, в международном и европейском масштабе относятся древесница, эндемичный подвид сирийской чесночницы и тритон Карелина.

В ПП «Странджа» установлены 24 вида пресмыкающихся, представляющих 70% богатства болгарской герпетофауны. Мировое значение имеют популяции 13 видов. Популяция тракийского красноголового полоза  - локального для Южного черноморского побережья эндемичного подвида составляет половину от мировой. Охраняемыми видами также являются европейская и каспийская болотная черепаха, средиземноморская черепаха, балканская черепаха, эскулапов полоз, обыкновенная слепозмейка, желтопузик, луговая ящерица и геккон. 

В границах Парка установлено 269 видов птиц, что составляет две трети всей болгарской орнитофауны. В Парке гнездится находящийся под угрозой вымирания в мировом масштабе коростель, а для южного белоспинного дятла старые леса Странджи – самая важная охраняемая территория в мире. Мировое значение имеют популяции мухоловки полуошейниковой, средиземноморской пересмешки и средиземноморской большой гаички, а европейское значение – стервятника обыкновенного, чёрного и белого аиста, филина обыкновенного и четырёх видов орлов. 

Над Странджей проходит второй по величине маршрут перелётных птиц в Европе – Via Pontica, который собирает стаи над Северной и Восточной Европой и Сибирью. Природным парком фронт перелёта сужается и в самые напряжённые дни можно наблюдать огромные стаи белых аистов – до 40 тысяч в день и десятки и сотни пеликанов, осоедов, сарычей и подорликов. Значение Парка дополняется и заливами и устьями рек по Черноморскому побережью, которые используются водоплавающими не только для отдыха, но и для зимовки. 

В пределах Парка размножаются 66 видов млекопитающих. Медведь исчез в конце 18 века, а о присутствие рыси во второй половине 20 века достоверных сведений нет.

Отдельные экземпляры тюленя-монаха эпизодически посещают подводные пещеры в районе Силистара. 

Летучих мышей 25 видов, 13 из которых присутствуют в Международной красной книге (длинноухая, длиннопалая и трёхцветная ночница, южный и малый подковонос, европейская широкоушка и др.).

 Мелких млекопитающих 27 видов, из них в Международную красную книгу входят 8 видов грызунов (европейский суслик, три вида сонь, белка и др.).

Из крупных млекопитающих обычными для Природного парка являются косуля, благородный олень и волк. . Широко распространены кабан и шакал. Часто встречаются лисица, барсук и куница. Популяции выдры, и лесного кота среди самых многочисленных в Европе. Европейский суслик и перевязка в Парке встречаются редко. 

Международную красную книгу включены перевязка, выдра и тюлень-монах.