Il Parco del Frignano si trova al centro di una vasta regione di aree protette - confina a sud con il Parco dell’Orecchiella, a ovest con il Parco del Gigante e a est con il Parco del Corno alle Scale - in una posizione ideale per conservare e accrescere una fauna ricchissima e variegata. Il territorio è infatti popolato da alcune specie rare come il lupo, fino a poco tempo fa considerato in via di estinzione, l'astore, la martora, l’aquila reale e il gufo reale. In alta quota sono numerose le colonie di marmotte, mentre nei prati che intramezzano i boschi fanno spesso capolino i cervi. Nelle zone confinanti con il Parco del Corno alle Scale è possibile osservare la corsa agilissima del muflone, e di recente ha fatto la propria comparsa anche l’istrice.
Più comuni e diffusi sono il capriolo, il daino, la faina, la donnola, il cinghiale, il tasso, la volpe, lo scoiattolo, il ghiro e il minuscolo moscardino. Nelle praterie più alte è facile imbattersi nell'arvicola delle nevi, un roditore dalla folta pelliccia che non va in letargo, e sotto la coltre di neve scava una fitta rete di cunicoli che balzano agli occhi con il disgelo.
Numerosi anche i rapaci, tra i più comuni il gheppio, lo sparviero e la poiana. Tra i castagni che si stagliano nei fondovalle nidificano l’allocco e il gufo comune.
La ricchezza ambientale del parco consente a numerose specie di uccelli di trovare il proprio habitat ideale: dai picchi alle averle, dai merli ai lucherini, dalle allodole ai fringuelli. Nelle foreste di conifere sono comuni il regolo, il fiorrancino, il ciuffolotto, il crociere. Tra le pareti rocciose è facile scorgere il picchio muraiolo, dalla stupenda livrea rosa intenso. Il picchio muratore abita invece i boschi cedui insieme a cinciarella e cincia bigia. Fanelli e culbianchi sorvolano le praterie del crinale, mentre il passero solitario, facilmente riconoscibile per il colore blu scuro, nidifica tra le rocce. Nelle zone aride nei pressi delle pietraie abita invece il codirossone.
Nei numerosi torrenti è possibile imbattersi in alcuni esemplari di airone cinerino, predatore di piccoli pesci e anfibi, di ballerina gialla e di merlo acquaiolo. Nelle stesse acque albergano inoltre la trota fario, che può raggiungere dimensioni ragguardevoli, il tritone alpestre, la rana temporaria e la salamandra pezzata.
In autunno, infine, è possibile assistere al passaggio di cicogne che si dirigono al sud, mentre grandi branchi di colombacci, tordi e cesene trovano riparo e ristoro nelle distese boschive.