Gli esemplari osservabili nel parco derivano dai pochi cervi liberati dal Corpo Forestale dello Stato nel 1958 e nel 1965 nell'alto Pistoiese, all'interno della foresta demaniale dell'Acquerino. Si tratta di una popolazione di ottima qualità, con maschi di grande taglia dotati di palchi ben ramificati.
Il territorio del parco rappresenta la porzione principale dei quartieri degli amori del cervo sul versante emiliano dell'areale di distribuzione: qui dall'inizio dell'autunno, per alcune settimane, si riuniscono una parte rilevante dei riproduttori, percorrendo anche distanze considerevoli.
Piuttosto comune è un altro ungulato, il cinghiale, che lascia quasi ovunque le inconfondibili tracce del suo passaggio: scavi sul suolo ("grufolate") e i sentieri ("trottoi"), bagni di fango ("insogli"). Più raro ed elusivo è il capriolo, qui legato soprattutto ai cespuglieti e ai cedui fitti, dove bruca gemme e tenere foglie. Il daino, una specie estranea alla fauna originaria, è avvistabile con una certa facilità solo nella fascia più periferica del parco.
Degna di nota è la comparsa sporadica del lupo, tornato ad abitare l'Appennino settentrionale solo dagli anni '80 e irregolarmente richiamato nel territorio del parco dalla presenza di buone densità di ungulati selvatici.
Altri carnivori sicuramente presenti sono volpe, tasso, faina e donnola. Tra i micromammiferi terrestri non mancano roditori come scoiattolo, ghiro, moscardino, topo selvatico e arvicola rossastra e insettivori come talpa e crocidura minore (un piccolo toporagno). Nelle aree aperte, con un po' di fortuna, si può osservare la lepre. Agli inizi degli anni '90 ha fatto la sua comparsa una specie piuttosto insolita, l'istrice, un roditore a prevalente diffusione africana ma presente anche in Italia centro-meridionale e in netta espansione verso nord negli ultimi decenni.
Grotte e vecchi castagni ospitano, infine, alcune importanti specie di chirotteri, animali rari e particolarmente bisognosi di tutela.