На территории парка встречаются около 50 видов млекопитающих, не менее 180 - птиц, 5 - пресмыкающихся, 7 - земноводных и около 40-45 видов рыб. Из крупных млекопитающих очень обычны лось (Alces alces) и кабан (Sus scrofa), не представляют редкости бурый медведь (Ursus arctos) и волк (Canis lupus). Обычны заяц-беляк (Lepus timidus), бобр (Castor fiber), белка (Sciurus vulgaris), лисица (Vulpes vulpes), енотовидная собака (Nyctereutes procyonoides), лесная куница (Martes martes), ласка (Mustela nivalis), горностай (М. erminea), европейская норка (М. lutreola), барсук (Meles meles). Значительно реже встречаются летяга (Pteromys volans), выдра (Lutra lutra), лесной хорь (M. putorius), рысь (Felis lynx). Наиболее детально изучена фауна мелких насекомоядных и грызунов. Массовыми видами являются обыкновенная бурозубка (Sorex araneus) и рыжая полевка (Clethrionomys glareolus), обычны крот (Talpa europaea), малая (Sorex minutus) и средняя (S. caecutiens) бурозубки, кутора (Neomys fodiens), лесная мышовка (Sicista betulina), красная (Clethrionomys rutilus), подземная (Microtus subterraneus), обыкновенная (М. arvalis), темная (М. agrestis) и водяная (Arvicola terrestris) полевки, полевка-экономка (Microtus oeconomus), лесная (Apodemus sylvaticus) и домовая (Mus musculus) мыши. Сравнительно малочисленны равнозубая (Sorex isodon) и крошечная (S. minutissimus) бурозубки, желтогорлая мышь (Apodemus flavicollis), мышь-малютка (Micromys minutus). Фауна рукокрылых практически не изучена; точно установлен лишь факт обитания рыжей вечерницы (Nyctalus посtula).

Доказано или представляется вероятным (исходя из сезона и характера встреч) гнездование 148 видов птиц. Остальные несколько десятков видов наблюдаются только в периоды летних кочевок, осенних и весенних миграций и/или зимой. На территории парка отмечались сапсан (Falco peregrinus) и беркут (Aquila chrysaetos), гнездятся черный аист (Ciconia nigra) и скопа (Pandion haliaetus), занесенные в Красную книгу Российской Федерации. Многие гнездящиеся или предположительно гнездящиеся в парке виды считаются редкими, малочисленными и/или уязвимыми па всем Северо-Западе европейской части России и/или в Новгородской области: чернозобая гагара (Gavia arctica), выпь (Botaurus stellaris), большой кроншнеп (Numenius arquata), серая цапля (Ardea cinerea), гоголь (Bucephala clangula), большой крохаль (Mergus merganser), дербник (F. columbarius), серый журавль (Grus grus), большой улит (Tringa nebularia), зимородок (Alcedo atthis), желна (Dryocopus martius), зеленый (P. viridis), белоспинный (Dendrocopos leucotos) и трехпалый (Picoides tridactylus) дятлы, черноголовая гаичка (Parus palustris), дроздовидная камышевка (Acrocephalus arundinaceus), овсянка-дубровник (Emberiza aureola) и др. Некоторые из них (серая цапля, гоголь, большой крохаль, желна, трехпалый дятел) на Валдае достаточно обычны. Не представляют редкости все виды тетеревиных птиц, за исключением белой куропатки (Lagopus lagopus).

Наиболее обычные пресмыкающиеся парка - живородящая ящерица (Lacerta vivipara) и обыкновенная гадюка (Vipera berus). Веретеница (Anguis fragilis), прыткая ящерица (Lacerta agilis) и обыкновенный уж (Natrix natrix) встречаются значительно реже. Земноводные представлены обыкновенным тритоном (Triturus vulgaris), серой жабой (Bufo bufo), обыкновенной чесночницей (Pelobates fuscus), травяной (Rana temporaria), остромордой (R. arvalis), прудовой (R. ridibunda) и озерной (R. iessonae) лягушками.

Ихтиофауна представлена, в частности, щукой (Esox lucius), лещом (Abramis brama), язем (Leuciscas idus), сигом (Coregonus lavaretus), ряпушкой (С. albula), налимом (Lota lota), судаком (Stizostedion lucioperca), обыкновенным сомом (Silurus glanis), снетком (европейской корюшкой) (Osmerus eperlanus eperlanus morpha spirinchus), обыкновенным угрем (Anguilla anguilla), линем (Tinea tinea), обыкновенным жерехом (Aspius aspius), сазаном (Cyprinus carpio), золотым (Carassius carassius) и серебряным (С. auratus) карасями. Достаточно редкими можно считать обитателей мелких каменистых рек парка - европейского хариуса (Thymallus thymallus), форель (Salmo trutta morpha fario), европейскую ручьевую миногу (Lampetra planeri) и обыкновенного подкаменщика (Cottus gobio) (последний занесен в Красную книгу Российской Федерации).