Fúzač alpský (Rosalia alpina)                                          Zubor hrivnatý (Bison bonasus)
Zdroj: https://pixabay.com/sk/photos/chrob%          Zdroj: https://pixabay.com/sk/photos/biz%C3%B3n-
C3%A1k-alpine-rosalia-alpina-pilis-2721215/           taurau-sila-pr%C3%ADroda-divok%C3%BD-2494182/    

Zmiešané a listnaté lesy Polonín sa zo zoogeografického hľadiska nachádzajú v palearktickej oblasti. Zastúpenie živočíšnych druhov a štruktúra spoločenstiev je ovplyvnená prírodnými podmienkami Východných aj Západných Karpát.
Na území Národného parku Poloniny bolo doteraz zistených 5981 druhov živočíchov. Mimoriadny vedecký a ochranársky význam majú najmä východokarpatské endemity, ktorých areál celkového rozšírenia dosahuje západnú hranicu v NP Poloniny.
Vo vlhkých lesoch sa v hornej časti pôdy a odhnívajúcom dreve vyskytuje dážďovka svietivá (Eisenia lucens). Malakofauna národného parku má vyslovene lesný raz. Medzi východokarpatské endemické druhy mäkkýšov patrí Carpathica calophana či Agardia bielzi. V jedľovo-bukových lesoch žije slimák škvrnitý (Arianta arbustostrium). Pozoruhodná je horská fauna mnohonôžok napr. plochuľa  (Polydesmus polonicus), chobôtikovec (Polyzonium transsilvanicum) a poddruh mnohonôžky opísaný zo Stužice - Leptoiulus baconyensis stuzicensis. Medzi vzácne druhy drobčíkov považujeme druh Stenus ludyi. Zaujímavý je fúzač alpský (Rosalia alpina), ktorého larva sa vyvíja v starých bukoch. Zachovalosť vodných tokov potvrdzuje bohatá fauna vodného hmyzu. Zistili sa tu nové druhy podeniek – Ecdyonurus carpathicus, Beatis beskidensis a vzácny je východokarpatský endemit kriváka Gammarus  kischineffensis. Orientálny a dosť vzácny je motýľ mramorovka vŕbová (Apatele leporina) či piadivka brezová (Biston betularis). Z denných motýľov tu môžeme vidieť: súmračníka jahodového (Pyrgus malvae) či očkáňa medničkového (Coenonympha arcania). Na biotopy horských lúk je viazaný vrzúnik – Phytoecia nigripes, odstraňovanie odumretej hmoty zabezpečuje zdochlinár černastý (Phosphuga atrata). K preskúmaným skupinám patria dvojkrídlovce z nich nové druhy pre vedu sú Molophilus terrayi a Empis rohaceki.
V rámci stavovcov sa na území vyskytuje viac ako 300 druhov. Medzi najviac ohrozené patria: vo vode žijúca mihuľa potiská (Eudontomyzon danfordi), prúdomilné druhy rýb napr. hrúz „Kesslerov“ (Romanogobio carpathorossicus) či pôvodné populácie lipňa tymiánového (Thymallus thymallus) a pĺža vrchovského (Sabanejewia bulgarica). Z obojživelníkov a plazov tu žijú, napr. mlok karpatský (Triturus montandoni), užovka stromová (Elaphe longissima) ale aj užovka hladká (Coronella austriaca). Pre druhovú pestrosť bolo na území Polonín zriadené Chránené vtáčie územie a je najvýznamnejším územím na Slovensku pre hniezdenie lelka lesného (Caprimulgus europaeus), chriašteľa poľného (Crex crex) a jariabka hôrného (Tetrastes bonasia). Hniezdi napríklad orol krikľavý (Aquila pomarina), sova dlhochvostá (Strix uralensis), ďateľ bielochrbtý (Dendocopos leucotos). V podhorskej krajine možno vidieť strakoša veľkého (Lanius excubitor) na okrajoch lesa sokola lastovičiara (Falco subbuteo).
Z cicavcov sa tu vyskytuje vydra riečna (Lutra lutra) a mačka divá (Felis silvestris), vzácne vlk obyčajný (Canis lupus), medveď hnedý (Ursus arctos), rys ostrovid (Lynx lynx) či niekoľko desiatok kusov zubra hrivnatého (Bison bonasus). Nepravidelne na územie prechádza z poľskej strany aj los mokraďový (Alces alces).