Nel parco sono presenti molti dei mammiferi tipici del medio e basso Appennino, per i quali la valle dello Stirone rappresenta un importante corridoio di diffusione dalla montagna verso la pianura. Oltre a specie facilmente osservabili come lepre, riccio e istrice compaiono alcuni predatori molto elusivi come volpe, tasso e faina, la cui presenza è peró rilevabile soprattutto attraverso la ricerca di tracce ed escrementi; soprattutto dopo le piene, sul terreno fangoso non è raro seguire anche per lunghi tratti l'intrecciarsi di impronte di specie diverse. A volte, nascoste tra i cespugli o nel bosco, è possibile osservare anche tane con piú fori di entrata, a qualche metro uno dall'altro, con diametro di circa 20 cm e accumuli di terra davanti all'apertura; sono le tane scavate dal tasso e, una volta abbandonate, possono essere utilizzate anche da altri mammiferi come la volpe.

Le specie ornitiche più caratteristiche del parco sono probabilmente quelle legate agli ambienti del greto. Il gruccione, un uccello dal piumaggio variopinto e vivace (rosso, giallo, verde e azzurro), nidifica nel Parco in grandi colonie, sulle ripide scarpate create dall'attività erosiva del torrente. È una specie migratrice, il cui arrivo è generalmente registrato nella prima decade di maggio; successivamente, ogni singola coppia inizia lo scavo dei nidi, costituiti da una galleria, al termine della quale vengono deposte le uova. Gli accoppiamenti sono osservati nella seconda metà di maggio e le prime nascite nella seconda metà di giugno; la partenza avviene nel mese di settembre. Deve il suo nome al modo un po' impacciato di camminare sul terreno, come se si aiutasse con un paio di grucce. La dieta è costituita da insetti, quali libellule, farfalle diurne, api, vespe, coleotteri, cavallette, che caccia in volo; viene abitualmente osservato sui terreni agricoli circostanti il torrente o sui posatoi, costituiti dalle radici o dalle cime secche di alberi morti, localizzati lungo le sponde in erosione. Essendo la presenza del gruccione una realtà affermata, il Parco attua interventi specifici per assicurarne la conservazione. Un'altra specie dal piumaggio quasi altrettanto colorato, presente tutto l'anno lungo il greto del torrente, è il martin pescatore, che, tuffandosi, cattura piccoli pesci talvolta più lunghi del suo becco. Nel parco sono presenti anche numerose altre specie ornitiche di rilevante interesse, tra le quali sono da ricordare upupa, picchio rosso maggiore, picchio rosso minore, picchio verde, averla piccola, rigogolo e il Biancone (Circaetus gallicus) che da qualche anno, nella parte collinare dell'area protetta, è regolarmente presente, riproducendosi nelle aree boscate più integre.

L'erpetofauna e l'ittiofauna del parco offrono alcuni motivi di grande interesse.
Tra gli anfibi sono presenti diverse specie relativamente comuni lungo le fasce fluviali del medio e basso Appennino: rane verdi, rana agile, rospo comune, rospo smeraldino, raganella, tritone crestato, tritone alpestre e la testuggine palustre (Emys orbicularis), una delle specie di maggiore interesse conservazionistico dell'area. Tra i rettili, oltre ai piú comuni e diffusi sauri e ofidi, è soprattutto da segnalare una specie piuttosto rara nella nostra regione, di recentissima scoperta all'interno del parco. Si tratta della natrice o biscia viperina (Natrix maura), un colubride largamente diffuso dall'Africa settentrionale all'Europa occidentale. Fino a pochi anni fa questa interessante biscia d'acqua, che puó raggiungere una lunghezza massima di quasi un metro e possiede una colorazione simile a quella delle vipere, sembrava diffusa in Italia limitatamente alla Liguria, al Piemonte meridionale e alla Sardegna. Recentemente è peró stata scoperta in alcune località dell'Emilia occidentale, dove appare strettamente legata all'ambiente dei corsi d'acqua. In effetti si tratta di una specie in maggior misura dipendente dall'acqua rispetto alla piú comune e diffusa biscia dal collare: la sua alimentazione è infatti costituita in prevalenza da anfibi e pesci. Il ritrovamento della biscia viperina in Emilia è con ogni probabilità da mettere in relazione a un'espansione verso est dell'areale di questa specie. Lo Stirone ospita anche un popolamento ittico piuttosto consistente: nelle sue acque sono presenti i ciprinidi come cavedano, lasca, barbo comune e alborella; particolarmente abbondanti sembrano inoltre le popolazioni di cobite e ghiozzo padano, due specie assai ben adattate a vivere nell'ambiente di fondo.