Con 105 especies de mamíferos, 525 especies de aves, 79 de reptiles, 55 de anfibios y 36 especies de peces de agua dulce el parque se convierte en un importante refugio de fauna.

Son las aves las que adquieren el mayor protagonismo. En su sendero más conocido, el Camino del Oleoducto, la Sociedad Audubon de Panamá realiza anualmente un censo de Navidad. Durante 19 años consecutivos alcanzó récords mundiales que culminaron en el año 1996 cuando en un solo día se censaron 525 especies de aves. Entre ellas destaca la presencia de la amenazada águila crestada (Morphnus guianensis), las espectaculares loras frentirrojas (Amazona autumnalis) y diferentes especies de vistosos trogones como el trogón violáceo (Trogon violaceus). También funcionan las estaciones MOSI (monitoreo de Aves migratorias) por parte del Instituto Smithsonian, los cuales capacitaron a personas de las comunidades de San Antonio y Ella Puru en cuanto a observación de Aves y captación de datos.

Entre los mamíferos no falta la presencia del jaguar (Panthera onca), de los venados cola blanca (Odoicoleus virginianus), de los ñeques (Dasyprocta punctata), de los mapaches (Procyon lotor) y de las manadas de saínos (Tayassu tajacu).
Diversas especies de monos ocupan el estrato forestal, entre ellos el pequeño mono tití (Saguinus oedipus) y el esquivo jujaná (Aotus lemurinus). Reptiles como el babillo (Caiman crocodylus) o la serpiente verrugosa (Lachesis mutus), anfibios como el sapo común (Bufo marinus) o la salamandra (Oedipina parvipes) y peces de agua dulce como el sábalo pipón (Brycon petrosum) o el barbudo (Rhandia magnesi) forman parte de la fauna vertebrada de este espacio protegido.

Los invertebrados se cuentan por millares y es fácil ver los inconfundibles nidos y caminos de las hormigas arrieras (Atta colombica) e identificar a la peligrosa hormiga folofa (Paraponera clavata).