哺乳類

合歡山國家森林遊樂區內的哺乳類動物包括華南鼬鼠、白面鼯鼠、台灣森鼠、條紋松鼠、高山白腹鼠、台灣長尾鼬、台灣田鼠等，其中絕大部分的哺乳類動物都屬於臺灣特有種。此外，臺灣高山小黃鼠狼也是本區具有代表性的哺乳類動物。

鳥類

合歡山因地處的鳥類主要出沒在冷杉及箭竹林間之地帶，包括有岩鷚、酒紅朱雀、火冠戴菊鳥、金翼白眉、煤山雀等高山鳥類。

兩棲爬蟲類

合歡山地區有上古時代孑遺兩棲類動物-山椒魚，屬於珍貴稀有的保育類動物，山椒魚是有尾兩棲類，為一萬年前冰河撤退以後所留下的孓遺生物，臺灣更是山椒魚全球分佈的最南界，而外表紋飾美麗之雪山草蜥，在合歡山大草原中可發現其蹤跡，為台灣特有種，外表紋飾美麗之雪山草蜥，具有研究價值之台灣特有種爬蟲類。

蝶類

合歡山國家森林遊樂區因位高海拔，氣候寒冷，只有夏季溫暖群花盛放時偶可見採蜜之蝶影飛舞，惟種類與數量均少，包括青帶鳳蝶、白紋鳳蝶、臺灣紋白蝶、青擬蛺蝶、狹翅挵蝶、黑挵蝶等，其中以青帶鳳蝶、白紋鳳蝶較具觀賞價值。