Životinjski svijet Velebita je raznolik i vrijedan. Ovdje nalazimo populacije velikih zvijeri (medvjed, vuk i ris) i drugih velikih sisavaca (divlja svinja, srna, jelen, divokoza). Smeđi medvjed (Ursus arctos) je naš najveći pripadnik reda zvijeri. Odrasli mužjaci mogu težiti i preko 300 kg dok su ženke znatno lakše, do 150 kg. Visina u hrptu im je od 100 do 120 cm, a kada se usprave na zadnje noge mogu doseći i 2,3 m. Iako medvjedi spadaju u red zvijeri svoje potrebe za hranom zadovoljavaju uglavnom biljnom hranom i to oko 95%, dok ostalih 5% predstavlja animalna hrana koju uglavnom čine insekti i njihove ličinke ili strvine uginulih životinja. Medvjed je zaštićena vrsta na temelju Zakona o zaštiti prirode i Zakona o lovstvu ali s pravom lova u skladu s nacionalnim Planom gospodarenja smeđim medvjedom. Nešto malo manja (veličinom) velika zvijer – vuk (Canis lupus) pripada porodici pasa te odrasla jedinka u prosjeku teži oko 35 kg. Visina u hrptu je prosječno 70 cm, a dužina od vrha njuške do kraja repa oko 170 cm. Vuk je izrazito teritorijalna vrsta koja živi u čoporu u kojem vladaju strogi hijerarhijski odnosi. Vuk ima status strogo zaštićene vrste temeljem Zakona o zaštiti prirode. Posljednja, ali ne i manje vrijedna, velika zvijer je ris (Lynx lynx) koji pripada porodici mačaka. Prosječna težina odraslih mužjaka je 21 kg dok su ženke nešto lakše. Dužina tijela im je 80-130 cm, a visina u hrptu do 60 cm. Neke od specifičnosti risa su kratak rep (15-20 cm) na vrhu obojan crno, čuperci crnih dlaka na vrhu uški, krzno crvenkasto smeđe boje sa istaknutim crnim pjegama koje su svojim rasporedom i oblikom karakteristične za svaku jedinku posebno što nam olakšava razlikovanje vrste. Ris je teritorijalna životinja koja živi samotnjačkim životom te svaka vrsta ima vlastiti teritorij. Oni su također strogo zaštićena vrsta temeljem Zakon o zaštiti prirode.
Osim velikih zvijeri na području parka zabilježeni su i ostali sisavci poput srne (Capreolus capreolus), običnog jelena (Cervus elaphus), divlje svinje (Sus scrofa), divokoze (Rupicapra rupicapra), vidre (Lutra lutra) pa i rijetke i endemske vrste kao što je glodavac dinarski voluhar (Dinaromys bogdanovi) te mnoge druge.
Šišmiši svoja staništa pronalaze u špiljama, ali i u šumama. Starije sastojine listopadnih šumskih staništa važna su lovna staništa i skloništa šumskih vrsta šišmiša kao što su ciljne vrste širokouhi mračnjak (Barbastella barbastellus) i velikouhi šišmiš (Myotis bechsteinii). Špilje kao podzemna staništa imaju značajnu ulogu u životnom ciklusu šišmiša koji ih koriste kao porodiljna, hibernacijska i tranzicijska skloništa tijekom migracija. Na području Parka u špiljama su pronađene vrste šišmiša poput: dugonogog šišmiša (Myotis capaccinii), južnog potkovnjaka (Rhinolophus euryale), dugokrilog pršnjaka (Miniopterus schreibersii), oštrouhog šišmiša (Myotis blythii), velikog šišmiša (Myotis myotis), Blazijevog potkovnjaka (Rhinolophus blasii), riđeg šišmiša (Myotis emarginatus), velikog potkovnjaka (Rhinolophus ferrumequinum) i malog potkovnjaka (Rhinolophus hipposideros).
Područje Parka obiluje pticama, zabilježeno je čak 257 vrsta. U šumama se skrivaju u najvećem broju dupljašice poput bjelovrate muharice (Ficedula albicollis), jastrebače (Strix uralensis), planinskog ćuka (Aegolius funereus), malog ćuka (Glaucidium passerinum) te djetlovke kao što je crna žuna (Dryocopus martius), siva žuna (Picus canus), crvenoglavi djetlić (Dendrocopos medius), planinski djetlić (Dendrocopos leucotos) te vrlo rijetka ciljna vrsta troprsti djetlić (Picoides tridactylus). Prirodne šume sigurne od uznemiravanja, s bogatom mozaičnom strukturom staništa, pogoduju ciljnim vrstama šumskih koka, lještarki (Bonasa bonasia) i tetrijebu gluhanu (Tetrao urogallus). Šumska staništa isprepletena s čistinama, livadama, malim močvarama i drugim otvorenim prostorima bitna su za grabljivice, uključujući ciljnu vrstu škanjca osaša (Pernis apivorus).
Na travnjačkim staništima nalaze se razne vrste ptica od strvinara, do ugroženih vrsta, ali i onih kojima odgovaraju rubna travnjačka staništa. Suhi travnjaci važno su stanište za ciljne vrste ptica jarebicu kamenjarku (Alectoris graeca) i primorsku trepteljku (Anthus campestris). Ciljna vrsta kosac (Crex crex) obitava na poplavnim i vlažnim, travnatim cretovima i planinskim livadama. Bjeloglavi sup (Gyps fulvus), ciljna vrsta i naš jedini strvinar, je početkom 20. stoljeća bio rasprostranjen po čitavoj Hrvatskoj, dok se danas redovito gnijezdi još samo na liticama kvarnerskih otoka (Cres, Krk, Prvić, Plavnik). Zmijar (Circaetus gallicus) većinom obitava u području s toplom klimom i malo oborina, što pogoduje obilju gmazova, glavnom plijenu ove vrste. Crvenonoga vjetruša (Falco vespertinus) je globalno ugrožena vrsta zabilježena svega dva puta na proljetnoj selidbi uz obalu prema južnim obroncima Velebita te uz južnu granicu NP Paklenica, dok je eja strnjarica (Circus cyaneus) redovita preletnica i zimovalica u Hrvatskoj. Otvoreni i djelomično otvoreni travnjački prostori također su vrlo značajna lovna staništa za rijetke i ugrožene grabljivice, koje se prvenstveno gnijezde na stijenama - uključujući kritično ugroženog surog orla (Aquila chrysaetos), ali i ušaru (Bubo bubo) te sivog sokola (Falco peregrinus). Na području Parka dolaze dvije ciljne vrste svračaka, rusi svračak (Lanius collurio) i sivi svračak (Lanius minor) te su obje vrste zabilježene na prijelaznim područjima između travnjačkih staništa i šumaraka. Takva područja odgovaraju i ciljnoj vrsti pjegavoj grmuši (Sylvia nisoria) te leganju (Caprimulgus europaeus).
U skupini vodozemaca i gmazova zabilježeno je 36 vrsta, a neke od najčešćih vrsta gmazova koje možete vidjeti u parku su velebitska gušterica (Iberolacerta horvathi), četveroprugi kravosas (Elaphe quatuorlineata), pjegava crvenkrpica (Zamenis situla) te otrovnice planinski žutokrug (Vipera ursinii macrops) i poskok (Vipera ammodytes).
Prisutnost saproksilnih kornjaša, kukaca prehranom vezanih uz mrtvo drvo, poput prioritetne ciljne vrste alpinske strizibube (Rosalia alpina), odražava očuvanost, kvalitetu i raznolikost staništa, pa ih se često koristi kao indikatore stanja ekosustava. Osim alpinske strizibube, na području Parka, zabilježene su dvije ciljne vrste saproksilnih kornjaša, jelenak (Lucanus cervus) te velika četveropjega cvilidreta (Morimus funereus).
Skupini beskralježnjaka pripadaju i brojne vrste danjih leptira poput apolona (Parnassius apollo) i gorskog plavca (Phengaris alcon rebeli) te ciljnih vrsta močvarna riđa (Euphydryas aurinia) i dalmatinski okaš (Proterebia afra dalmata).
Tankovrati podzemljar (Leptodirus hochenwartii) prvi je opisani troglobiontni beskralješnjak (životinje izričito vezane za podzemna staništa) te se godina njegova opisa uzima kao začetak biospeleologije. Na području Parka nalazi se čitav niz špilja i jama u kojima su zabilježene vrste poput velebitskog golemaša (Velebitaphaenops giganteus), najveći poznati špiljski trčak dinarskog krša, potom lički špiljaš (Zospeum likanum), endem Like i Korduna te pauk (Troglohyphantes roberti roberti), endem srednjeg i južnog Velebita.
Rijeke Zrmanja i Ričica predstavljaju povoljna staništa brojnih ugroženih, endemičnih i/ili ciljnih vrsta. Na području rijeke Zrmanje zabilježen je niz ciljnih vrsta riba: mren (Barbus plebejus), peš (Cottus gobio), dvoprugasti vijun (Cobitis bilineata) i primorska uklija (Alburnus arborella). Ušće Zrmanje nastanjuju eurihaline ciljne vrste (vrste prilagodljive širokom rasponu saliniteta) glavočić vodenjak (Knipowitschia panizzae) i glavočić crnotrus (Pomatoschistus canestrinii). Nizinske krške vode slabijeg protoka te izvore i pridružene močvare nastanjuje ciljna vrsta hrvatski pijor (Telestes croaticus). Gornji tok Zrmanje bogat je i drugim rijetkim (endemskim) ribljim vrstama, poput zrmanjskog klena (Squalis zrmanjae), endema uskog areala rasprostranjenosti. Osim riba, u rijekama i jezerima su zabilježene i vrsta bijelonogi rak (Austropotamobius pallipes) te slatkovodni školjkaš obična lisanka (Unio crassus) koja je dobar bioindikator.