ừng Cúc Phương có hệ sinh thái khá phong phú và đa dạng, gồm 97 loài thú (trong đó nổi bật nhất là các loài khỉ châu Á), 137 loài chim, 76 loài bò sát, 46 loài lưỡng cư, 11 loài cá và hàng ngàn loài côn trùng. Nhiều loài nằm trong Sách đỏ Việt Nam.
Cúc Phương là nơi sinh sống của một số quần thể thú quan trọng về mặt bảo tồn, trong đó có loài linh trưởng đang bị đe dọa tuyệt chủng trên toàn cầu ở mức đe dọa cực kỳ nguy cấp là voọc quần đùi trắng và loài sẽ bị nguy cấp trên toàn cầu là Cầy vằn [6], loài báo hoa mai là loài bị đe dọa ở mức quốc gia. Cúc Phương cũng có hơn 40 loài dơi đã được ghi nhận tại đây.
Đến nay, đã có 313 loài chim được xác định ở Cúc Phương[7]. Cúc Phương nằm tại vị trí tận cùng phía bắc của vùng chim đặc hữu vùng đất thấp Trung Bộ[8], tuy nhiên, chỉ có một loài có vùng phân bố giới hạn được ghi nhận tại đây là khướu mỏ dài [7]. Cúc Phương được công nhận là một vùng chim quan trọng tại Việt Nam[9].
Nhiều nhóm sinh vật khác cũng đã được điều tra, nghiên cứu ở Cúc Phương trong đó có ốc. Khoảng 111 loài ốc đã được ghi nhận trong một chuyến điều tra gần đây trong đó có 27 loài đặc hữu[10]. Khu hệ cá trong các hang động ngầm cũng đã được nghiên cứu, ít nhất đã có một loài cá được ghi nhận tại đây là loài đặc hữu đối với vùng núi đá vôi, đó là Cá niết hang Cúc Phương. Cúc Phương đã xác định được 280 loài bướm, 7 loài trong số đó lần đầu tiên được ghi nhận ở Việt Nam tại Cúc Phương vào năm 1998[11]

chứng minh: số lượng cá thể ở mỗi loài rất phong phú
vai trò: làm phong phú và bảo vệ các loài sinh vật
để bảo vệ: không vứt rác, không săn bắt