Безгръбначни животни
На територията на ПП „Беласица“ са установени и описани над 800 вида безгръбначни животни, от които 178 вида са с консервационно значение. Някои от безгръбначните са силно чувствителни към промени във водния режим на планинските реки, застрашен от строежи на ВЕЦ. Видът Carabus (Carabus) menetriesi pacholei е единственото известно находище на вида в България и Южна Европа се намира в долината на река Луда Мара. Поради неговата изключителна рядкост и висока консервационна значимост е необходимо всички потенциални местообитания да бъдат опазвани. Други видове са тясно свързани със стари, климаксни гори и са пряко зависими от наличието на хралупести дървета. Сред най-интересните групи от безгръбначната фауна на ПП „Беласица“ са пеперудите и твърдокрилите. По данни на Любен Домозетски в ПП „Беласица“ са установени и описани 146 вида от дневните пеперуди и около 600 вида от нощните пеперуди. Най-богато разнообразие на видове пеперуди има в ниските части около границата на Природния парк.
Ихтиофауна
На територията на ПП „Беласица“ са установени 3 вида риби, като и трите са интродуцирани и не са типични за българската ихтиофауна. Други 6 вида обитават водоеми извън парка, но разположени в пряка близост до неговите граници. От тях 2 вида са включени в Закона за биологичното разнообразие, 2 вида попадат в приложенията на Директивата за хабитатите, а 1 вид в Бернската конвенция. Видовете риби, които се срещат в ПП „Беласица“ са сребриста каракуда, псеудоразбора и слънчева рибка.
Земноводни и влечуги
На територията на ПП „Беласица“ са установени 10 вида земноводни, от които 3 опашати, 7 безопашати. Влечугите в ПП „Беласица“ са представени с 21 вида, от които 2 вида костенурки, 6 вида гущери, 11 вида змии. Приоритетни видове за опазване са Южен гребенест тритон, Влакноопашато тритонче, Дъждовник, Жълтокоремна бумка, Голяма крастава жаба, Обикновена блатна костенурка, Южна блатна костенурка, Шипоопашата костенурка, Шипобедрена костенурка, Ивичест гущер, Змия червейница, Ивичест смок, Котешка змия, Вдлъбнаточел смок, Смок мишкар, Леопардов смок и други.
Орнитофауна
В обхвата на ПП „Беласица“ са установени и описани 147 вида птици, от които 139 са с консервационно значение, а 13 са обект на специални мерки. Сред емблематичните видове за парк „Беласица“ са Осояд, Орел змияр, Скален орел, Сокол скитник, Планински кеклик, Горски бекас, Синявица, Сив кълвач, Черен кълвач, Среден пъстър кълвач, Белогръб кълвач, Воден кос, Полубеловрта мухоловка.
Прилепна фауна
В ПП „Беласица“ прилепната фауна е добре проучена. Установени са 21 вида прилепа, като сред тях са натузиевото прилепче, малкото кафяво прилепче, широкоухият прилеп, кафявото прилепче, сивият дългоух прилеп, мустакатият нощник, както и пещеролюбивият малък подковонос .
Дребни бозайници
В ПП „Беласица“ се срещат 28 вида дребни бозайници (от които 1 вид e вид двойник с неизяснен статут). С консервационно значение за ПП „Беласица са 14 от тях. Срещат се белогръд таралеж, къртица, обикновена кафявозъбка, голяма водна земеровка, обикновена катерица, обикновен сънливец, горски сънливец, горските мишки жълтогърла/обикновена, ръждива (кафява) горска полевка и див заек. Приоритетни видове за Природния парк са лалугерът, обикновеният сънливец, горският сънливец, големият хомяк, добруджанският хомяк, видрата.
Едри бозайници
На територията на Парка могат да бъдат наблюдавани 13 средни и едри видове бозайници. Консервационно значимите видове бозайници са 7, от които 4 защитени в България видове (европейски пъстър пор, златка, видра и дива котка) и 3 ловни вида (вълк, черен пор, сърна).