A Floresta Atlântica possui uma grande biodiversidade de animais, além de muitos que já estão ameaçados de extinção, como: a onça-pintada, a jaguatirica, o mono-carvoeiro, o macaco-prego, o guariba, o mico-leão-dourado, vários sagüis, a preguiça-de-coleira, o caxinguelê, o tamanduá. Entre as aves destacam-se o jacu, o macuco, a jacutinga, o tiê-sangue, a araponga, o sanhaço, numerosos beija-flores, tucanos, saíras e gaturamos. Entre os principais répteis desse ecossistema estão o teiú, um lagarto de mais de 1,5 metros de comprimento, jibóias, jararacas e corais verdadeiras. Numerosas espécies da flora e da fauna são únicas e características: a maioria das aves, répteis, anfíbios e borboletas são endêmicas, ou seja, são encontradas apenas nesse ecossistema. Entre os mamíferos, 39% também são endêmicos, o mesmo ocorrendo com a maioria das borboletas, dos répteis, dos anfíbios e das aves nativas. Nela sobrevivem mais de 20 espécies de primatas, a maior parte delas endêmicas. Hoje, 171 das 202 espécies de animais brasileiros considerados ameaçados de extinção são originários da Floresta Atlântica. As principais áreas preservadas se encontram em parques nacionais, como o de Superagüi (PR), de Itatiaia (MG, RJ), da Serra da Bocaina (SP, RJ), do Monte Pascoal e da Chapada Diamantina (ambos na BA) e do Iguaçu (PR); em parques estaduais como os da Ilha do Cardoso, da Ilha de São Sebastião, da Ilha Anchieta e da Serra do Mar, do Vale do Ribeira, da Serra do Japi (todos em SP), do Desengano (RJ) e nas estações ecológicas de Tapacurá (PE), Caratinga (MG), Poço das Antas (RJ) e Juréia (SP).