Фауната може да се приеме, че е между субсредиземно-морския и субконтинентален тип. Тя е много сходна с фауната на Тракийската низи-на и доста по-различна от типичната Старопланинска и Подбалканска.
Тревистите формации са местообитания на 1153 вида безгръбначни (Invertebrata), като само пеперудите са 826 вида. От тях 51 вида са ендемични, 36 вида от всеяд-ните твърдокрили са редки за България, 2 вида са вписани в Европейския Червен списък на IUCN, 8 вида са защитени от Бернската конвенция, 13 вида пеперуди са вписани в Европейската Червена книга, а 420 вида от тях са приети за редки.
Територията на Природен парк “Сините камъни” е единственото находище на видовете Thanatus imbecillus и Leptorchestes mutilloide от Клас Паякообразни (Arachnida). От значение е и неизвестният до сега за науката мъжки индивид Litobius (s.str.) uniunguis Matic et Golemansry от Многоножките (Myrapoda), както и Acanthocreagris sp.n. от Псевдоскорпионите (Pseudoscorpiones).
Гръбначната(Vertebrata) фауна е представена с 244 вида, в т.ч. риби (Pisces) – 9 вида, земноводни (Amphibia) – 8 вида, влечуги (Reptilia) – 13 вида, птици (Aves) – 176 вида, бозайници (Mammalia)– 38 вида. От тях 78 % или 191 вида са защитени от Закона за биологичното разнообразие, като най-голям е броят на птиците – 149 вида, следвани от бозайниците – 24 вида. В Червената книга на България са включени 45 вида, от които 32 вида са застрашени от изчезване – шаран (Cyprinus carpio), смок мишкар (Eplaphe longissima), пъстър пор (Vormela peregusna), вълк (Canis lupus), бухал (Bubo bubo), кръстат орел (Aquila heliaca), скален орел (Aquila chryseatos), малък лешояд (Neophron perenopterus) и др.
От ихтиофауната местни видове са балканската пъстърва (Salmo trutta), маришка мряна (Baebus cyclolepis) и лещанка (Phoxinus phoxinus).
От Клас Земноводни (Amphibia) често срещани видове са дъждовникът (Salamandra salamandra), гребенестият тритон (Triturus vulgaris), кафявата крастава жаба (Bufo bufo) откритите ливади са обитавани от кримският гущер (Podarcis taurica), а припечните места от зеления гущер (Lacerta trineata). Ограничено е разпространението на шипобедрената костенурка (Testudo graeca) и на шипоопашатата костенурка (Testudo hermani). Най-често се среща смокът мишкар (Elaphe hongissima), може да се види и пепелянка (Vipera ammodytes).
От най-многобройната и подвижна група гръбначни – птиците (Aves), често се срещат големия синигер (Parus major), горската дърволазка (Certia familiaris), имеловия дрозд (Turdus viscivorus), гривяка (Columba palumbus) и много други.
Скалните биотопи са предпоставака за гнездене на Cоколоподобните (Falconiformes) и Cовите (Strigniformes), на тракийския кеклик (Alectoris chucar) и пъстрия скален дрозд (Monticola saxatilis).
Обширните гори, откритите ливади, пресечените местности и пещери са местообитание на насекомоядните (Insectivora), 11-те вида прилепи, на гризачите, зайците, 8-те вида хищници, на Чифтокопитни. Срещат се таралеж (Erinaceus concolor), остроух нощник (Myotis blithii), катерица (Sciurus vulgaris), див заек (Lepus capensis), чакал (Canis aureus), лисица (Vulpes vulpes), дива свиня (Sus scrofa), сърна (Capreolus capreolus) и др.