Η πανίδα στο Εθνικό Πάρκο Τζουμέρκων, Περιστερίου και Χαράδρας Αράχθου, περιλαμβάνει σημαντικό αριθμό χερσαίων, υδρόβιων και ιπτάμενων ασπόνδυλων, αμφίβιων, ερπετών, πουλιών και θηλαστικών. Όσον αφορά στα σπονδυλωτά έχουν καταγραφεί συνολικά 197 είδη, ενώ οι υπάρχουσες μελέτες που αφορούν τα ασπόνδυλα είναι περιορισμένες και ως σήμερα παραμένει άγνωστος ο αριθμός των ειδών που ζουν στα ενδιαιτήματα της περιοχής. Στα αλπικά λιβάδια ζουν πολλά είδη πεταλούδων, αλλά και νυχτοπεταλούδων. Ορισμένα είδη πεταλούδων έχουν περιορισμένη παγκόσμια εξάπλωση και κάνουν στην περιοχή μια από τις λιγοστές εμφανίσεις τους στον ελλαδικό χώρο.
Εκτός από τα Λεπιδόπτερα, ενδημισμός παρατηρείται και σε άλλες οικογένειες των εντόμων όπως τα ορθόπτερα, τα κολεόπτερα και τα χερσαία ασπόνδυλα, τα οποία αν και δεν είναι ιδιαίτερα γνωστά στο ευρύ κοινό, έχουν ιδιαίτερη επιστημονική και βιογεωγραφική αξία.
Στα κρυστάλλινα νερά των παραπόταμων του Αράχθου και του Αχελώου ζουν 7 είδη ψαριών, ενώ ακόμη διατηρούνται ορισμένοι αμιγείς πληθυσμοί της άγριας πέστροφας. Στα ρέματα, τα υγρά αλπικά λιβάδια και στους εποχικούς νερόλακκους της περιοχής αναπαράγονται 6 είδη αμφιβίων. Ο ελληνικός βάτραχος (Rana graeca) ζει κοντά στην κοίτη των ορεινών ρεμάτων, η κιτρινομπομπίνα συναντάται σε υγρές θέσεις με βλάστηση, ενώ οι φρύνοι και οι σαλαμάνδρες, μετά την περίοδο αναπαραγωγής, τους βρίσκουν καταφύγιο στα δάση.
Στα διαφορετικά ενδιαιτήματα του πάρκου βρίσκουν καταφύγιο 19 είδη της ερπετοπανίδας (1 χερσαία χελώνα, 8 είδη σαυρών και 10 είδη φιδιών). Οι πληθυσμοί πολλών ειδών αυτής της παρεξηγημένης ομάδας ζώων, έχουν μειωθεί, λόγω των πιέσεων από ανθρωπογενείς δραστηριότητες. Τα ερπετά είναι σημαντικά για τα οικοσυστήματα και τις τροφικές αλυσίδες, τόσο ως θηρευτές όσο και ως θηράματα. Όλα τα είδη των ερπετών προστατεύονται σύμφωνα με την ελληνική και την ευρωπαϊκή νομοθεσία, ενώ για ορισμένα είδη, όπως τα φίδια (Elaphe quatuorlineata, Zamenis situla) και τη μεσογειακή χελώνα (Testudo hermanni), ισχύει πιο αυστηρό πλαίσιο προστασίας, και σαν χώρα έχουμε αναλάβει την υποχρέωση να εφαρμόσουμε ειδικότερα μέτρα, προκειμένου να προστατεύσουμε τους πληθυσμούς τους. Επιπλέον, στο Εθνικό Πάρκο καταγράφηκε για πρώτη φορά η παρουσία της οχιάς των λιβαδιών (Vipera ursinii) που αποτελεί ενδημικό υποείδος της οροσειράς της Πίνδου.
Η περιοχή φιλοξενεί σημαντικό αριθμό στρουθιόμορφων και αρπακτικών πτηνών (περίπου 150 είδη). Η παρουσία πολλών ειδών των αρπακτικών, καθώς και πολλών μεγάλων θηλαστικών, δικαιολογεί και την αναγκαιότητα θεσμοθέτησης της περιοχής ως Εθνικού Πάρκου. Συνολικά συναντώνται εδώ 36 είδη αρπακτικών των οικογενειών Accipitridae, Falconidae. Ανάμεσά τους ξεχωρίζουν ο χρυσαετός (Aquila chrysaetos),  το Όρνιο (Gyps fulvus), το βραχοκιρκίνεζο (Falco tinnunculus), ο Πετρίτης (Falco peregrinus) κ.α.. Στα κωνοφόρα δάση φωλιάζουν 7 είδη δρυοκολαπτών, μεταξύ αυτών ο μαύρος δρυοκολάπτης (Dryocopus martius), ενώ οι ορθοπλαγιές του Λάκμου και των Τζουμέρκων αποτελούν κατάλληλο ενδιαίτημα φωλεοποίησης για αρκετά ορεινά είδη, όπως ο χιονόστρουφος (Montifringilla nivalis) και η χιονάδα (Eremophila alpestris), τα οποία αναζητούν τη λεία τους στα αλπικά και υποαλπικά λιβάδια της περιοχής.
Το Εθνικό Πάρκο Τζουμέρκων, Περιστερίου και Χαράδρας Αράχθου αποτελεί μια ιδιαίτερα σημαντική περιοχή για τα θηλαστικά, καθώς στα διαφορετικά ενδιαιτήματα της περιοχής έχει καταγραφεί η παρουσία του ¼ των ειδών των θηλαστικών που απαντώνται στην Ελλάδα (30 είδη θηλαστικών που ανήκουν σε 17 οικογένειες). Πιο αναλυτικά, στην περιοχή ζουν 4 είδη εντομοφάγων (Insectivora), ένα είδος λαγόμορφου (Lagomorpha), 8 είδη τρωκτικών (Rodentia), 4 είδη οπληφόρων αρτιοδάκτυλων θηλαστικών (Artiodactyla) και 8 είδη σαρκοφάγων θηλαστικών.
Στα σπήλαια και στις σχισμές των βράχων ζουν τουλάχιστον 5 είδη χειρόπτερων (οικογένειες Rhinilophidae και Vespertilionidae), τα οποία χρήζουν ιδιαίτερης προστασίας εξαιτίας της καταστροφής των ενδιαιτημάτων τους.
Η παρουσία της καφέ αρκούδας (Ursus arctos) είναι αισθητή στο μεγαλύτερο τμήμα του Εθνικού Πάρκου, η οποία για να ικανοποιήσει τις τροφικές της ανάγκες μετακινείται σε μεγάλες αποστάσεις. Η ευρύτερη περιοχή αποτελεί το νοτιοδυτικό όριο της γεωγραφικής εξάπλωσης της αρκούδας στη χώρα μας. Ο αγριόγατος (Felis sylvestris), είναι ένα εντυπωσιακό αιλουροειδές, που μπορεί να σας ξαφνιάσει αν αποφασίσετε να διαβείτε τα δασωμένα μονοπάτια του Εθνικού Πάρκου. Οι καλοί ιχνηλάτες σίγουρα θα βρουν βιοδηλωτικά ίχνη της ενυδρίδας (Lutra lutra) κατά μήκος των οχθών των ποταμών, παρόλο που τα τελευταία χρόνια οι πληθυσμοί της έχουν μειωθεί σημαντικά, σε παγκόσμιο επίπεδο, εξαιτίας της ανθρώπινης όχλησης και της μείωσης της τροφής της.
Το αγριόγιδο (Rupicapra rupicapra balcanica), διατηρεί μικρούς πληθυσμούς στα Τζουμέρκα και συναντάται σε επικλινείς καλυμμένες με δάση πλαγιές, που καταλήγουν προς τα πάνω σε απόκρημνες κορυφές με σάρες, λούκια και περισσότερο ή λιγότερο οριζόντια διαζώματα με άφθονη ποώδη βλάστηση, που συνήθως γειτνιάζουν αναλόγως του υψομέτρου με υποαλπικά λιβάδια. Η παρουσία του ζαρκαδιού (Capreolus capreolus) αποτελεί ένδειξη της πολυμορφίας και της ποικιλότητας των οικοσυστημάτων του Εθνικού Πάρκου.
Όσον αφορά τα κτηνοτροφικά είδη, αξίζει να αναφερθούμε στην εκτροφή του προβάτου καλαρρύτικης φυλής (μπούτσικο) από τους κατοίκους των χωριών Καλαρρύτες και  Συρράκο. Οι παλιοί κτηνοτρόφοι υποστηρίζουν ότι τα πρόβατα αυτής της φυλής προήλθαν από τη διασταύρωση του Ορεινού Ηπειρωτικού προβάτου με το πρόβατο της φυλής comisana, μέλη της οποίας μεταφέρθηκαν από τη Σικελία, στα μέσα του18ου αιώνα, από Συρρακιώτες εμπόρους με σκοπό την παραγωγή μαλλιού καλύτερης ποιότητας. Ο συνολικός πληθυσμός αυτής της φυλής στην Ελλάδα ανέρχεται σε 5.000 πρόβατα.