Díky veliké pestrosti reliéfu se zachovala v parku také přirozená živočišná společenstva. Nejcennější je přírodní park především pro entomology. V okolí Lechova je výskyt teplomilných druhů hmyzu jako pakudlanka (Mantispa styriaca), ploskoroh pestrý (Ascalaphus macaronius) či několik druhů ploštic (Odontoscelis fuliginosa, Ischnocoris hemipterus, Ceraleptus lividus, Legnotus limbosus). V lesích žije motýl jasoň dymnivkový (Parnassius mnemosyne), hojně se vyskytuje slimákovec (Heterogenea ssekla), srpokřídlec (Sabra harpagula), několik druhů píďalek (Cyclophora porata, C. annulata, Lampropteryx suffumata, Eupithecia abbreviata) a můr (Pechipogo strigilata, Paracolax tristalis a Minucia lunaris). Na skalách a v lesostepní vegetaci můžeme pozorovat vzácného lišaje (Proserpinus  proserpina) a modráska (Scolitantides orion). Zajímavým nálezem na území parku je drobný motýlek Chrysoesthia verrucosa, který byl popsán teprve v roce 1999. Hojným motýlem je také přástevník kostivalový (Callimorpha quadripunctaria).

Na xerotermních lokalitách najdeme také několik druhů měkkýšů, které vyžadují teplé a suché podmínky prostředí pro svůj život. Jedná se o drobné šnečky druhu Valonia costata a Helicodonta obvoluta.

Zajímavá je také fauna řek. V Oslavě žije například ouklejka pruhovaná (Alburnoides bipunctatus) a mřenka mramorovaná (Barbatula barbatula). Dále se zde nachází početné populace vranky obecné (Cottus gobio), které jsou jedny z nejpočetnějších populací v celém kraji Vysočina. Běžně můžeme v řece spatřit pstruha obecného (Salmo trutta) a z větších druhů ryb se v řece vyskytuje jelec proudník (Leuciscus leuciscus) a jelec tloušť (Leuciscus cephalus).

Ve stinných údolíčkách na dně kaňonu Oslavy i Chvojince můžeme pozorovat mloka skvrnitého (Salamandra salamandra), v okolí řeky žije užovka podplamatá (Natrix tessellata). Na výslunných svazích najdeme naopak užovku hladkou (Natrix natrix) a svým modrým bříškem nás na skalních hranách upoutá nejkrásnější plaz české fauny ještěrka zelená (Lacerta viridis).

Ještěrka zelená

Území obývá také mnoho druhů ptáků. Z dravců můžeme spatřit například jestřába lesního (Accipiter gentilis), krahujce obecného (Accipiter nisus) a běžně se vyskytující káně lesní (Buteo buteo). Ze sov v údolí hnízdí výr velký (Bubo bubo) či puštík obecný (Strix aluco).  Kolem řeky pravidelně hnízdí ledňáček říční (Alcedo atthis), konipas horský (Motacilla cinerea) a skorec vodní (Cinclus cinclus). Z dalších ptáků v krajině kolem údolí můžeme spatřit krkavce velkého (Jund torquilla), ťuhýka obecného (Lanius collurio), strakapouda prostředního (Dendrocopos medius), dudka chocholatého (Upupa epops) a skřivana polního (Lullula arborea).

Z drobných savců se na území vyskytuje například rejsek černý (Neomys anomalum) a řada letounů jako jsou netopýr černý (Barbastella barbastellus), netopýr ušatý (Plecotus auritus) a netopýr velký (Myotis myotis).