A Bükki Nemzeti Park, illetve a hegységet övező Bükk-vidék gerinces-faunája a hazai átlagnál gazdagabb, sok veszélyeztetett természetvédelmi státuszú faj jelentős populációja él itt. Egyes fajoknak itt él a legnagyobb hazai állománya és van olyan faj is, melynek eddigi kizárólagos lelőhelye a Bükk hegység. Hideg-nedves élőhelytípusain a boreális, boreo-alpin, montán, kárpáti elemek, míg a fennsík déli letöréseinél, vagy a Dél-Bükkben található száraz-meleg élőhelyeken a szubmediterrán, balkáni, kontinentális elemek dominálnak. Értékes színezőelemek a csak a Bükkben élő endemikus fajok, (pl. Gebhardt-vakfutrinka), ill. szubendemikus alfajok, mint pl. a bükki szerecsenboglárka lepkefajok. A különböző faunahatások, a változatos felszíni formák és a rajtuk kialakult vegetáció lehetővé tette, hogy fajgazdag állatvilág találja meg életfeltételeit a hegységben.

A halak (Pisces) köréből a Kárpát-medencei endemikus petényi márna (Barbus meridionalis) a patakok ritka lakója.

A hegység montán régiójában szórványosan előforduló alpesi gőte (Triturus alpestris) a legkarakteresebb, veszélyeztetett Urodela-faj, aktív védelmére program indult. Az Anura-rend legjellemzőbb faja a gyepi béka (Rana temporaria), a hegylábakig mindenütt előfordul, a többi Amphibia fajhoz hasonlóan a szaporodóhelyek megőrzésének kiemelkedő jelentősége van.

A Reptilia- fajok közül a lokálisan, csupán a hegység néhány pontján előforduló pannon gyík (Ablepharus kitaibelii fitzingeri) emelhető ki. A hüllővédelem általánosságban a melegkedvelő társulástípusok területi védelmével valósítható meg, amely a nemzeti parkban biztosítva van.

A madarakat a nemzeti park területén körülbelül 100 fészkelő faj képviseli. A hegység orniszának legnagyobb értékei a veszélyeztetett fajok jelentős állományából álló nappali ragadozómadarak (Accipitriformes, Falconiformes). Kiemelkedő a hazai állomány 10%-át kitevő, globálisan veszélyeztetett parlagi sas (Aquila heliaca) megőrzésének programja és a többi Európában veszélyeztetett faj itteni állománya: békászósas (Aquila pomarina), kígyászölyv (Circaetus gallicus), kerecsensólyom (Falco cherrug), vándorsólyom (Falco peregrinus). Fajspecifikus védelmi projektek segítik e fajok megőrzését. A számos veszélyeztetett fajt őrző baglyok (Strigiformes) kárpáti-montán képviselői az uráli bagoly (Strix uralensis) és a gatyáskuvik (Aegolius funereus). A hegységből a '70-es években kipusztult uhu (Bubo bubo) jelen időszakban foglalja vissza egykori költőhelyeit. A harkályok (Piciformes) közül a legnagyobb hazai állománnyal és természetvédelmi státussal rendelkező fehérhátú harkály (Dendrocopos leucotos) emelendő ki. Az erdei énekesek egyik legritkább, az erdő természetességét jelző madara a kis légykapó (Ficedula parva). Egyik legveszélyeztetettebb faj a nemzeti parkban a császármadár (Tetrastes bonasia) rendkívül lecsökkent állománnyal. A telepített fenyvesekben számos olyan faj megtelepedett, melyeknek a környező magashegységek fenyő régiójában van az elterjedési centrumuk.

Az emlősök köréből a szinte összes hazai fajt magában foglaló denevérek (Chiroptera) emelendők ki. A fajgazdagság és a másutt ritka fajok jelentős állománya a nagy, idős erdőtömböknek és sok száz barlangnak köszönhető. Különös jelentősége van azon barlangok védelmének, ahol tömegesen telelnek és szaporodnak az egész Európában veszélyeztetett fajok (Miniopterus schreibersi, Rhinolophus euryale).

Fontos természetvédelmi probléma a hegységben a túltartott patás nagyvadlétszám, melynek szabályozásában fontos szerepe lehetne a visszatelepülő nagyragadozóknak, a farkasnak (Canis lupus) és hiúznak (Lynx lynx).