La fauna del Parco è caratterizzata in primo luogo dall'elevato numero di specie di insetti presenti, dovuto alla notevole varietà ambientale della Val Chalamy; sono state ad esempio sinora segnalate:
- oltre 1100 specie di farfalle, fra le quali il 70% di tutti i macrolepidotteri noti per l'intera Valle d'Aosta e 4 specie di microlepidotteri nuove per la scienza;
- 22 specie di coleotteri Ditiscidi ed Eloforidi legati alle zone umide;
- 111 specie di coleotteri fitofagi forestali (ben 32 delle quali mai segnalate prima in Valle d'Aosta).

Fra i vertebrati, sono presenti tutti i mammiferi e gli uccelli di ambiente montano diffusi nella regione, fra i quali merita citare lo stambecco, la lepre variabile, l'aquila reale, l'astore, la pernice bianca, il fagiano di monte, la coturnice, la civetta capogrosso, il picchio nero, il codirossone, il gracchio corallino e la nocciolaia.
Ad eccezione delle specie forestali, favorite dalla grande estensione dei boschi, i vertebrati non raggiungono elevate densità all'interno del Parco a causa delle difficili condizioni ambientali e delle ridotte disponibilità alimentari.
L'avvistamento di mammiferi assai conosciuti, come la marmotta o il camoscio, richiede quindi un maggiore impegno da parte dell'osservatore rispetto a quanto riscontrato in altre vallate valdostane. Il camoscio è comunque presente con un buon numero di individui, in parte localizzati nel settore forestale; decisamente più raro è lo stambecco, osservabile soprattutto sulle pendici del Mont Avic e sulla cresta spartiacque che divide il Parco dai valloni di Clavalité e Dondena.
Anche i micromammiferi non sono particolarmente abbondanti e in molti ambienti i soricidi (toporagno comune e toporagno nano) prevalgono sui roditori (topi e arvicole).

Nella Val Chalamy sono state sinora osservate 116 specie di uccelli, 91 delle quali nidificanti. L'avifauna forestale è piuttosto ricca e annovera specie assai localizzate come la beccaccia. I rapaci diurni sono numerosi nella medio-bassa Val Chalamy e sui costoni della valle centrale, unico settore ricco di prede di piccole e medie dimensioni (almeno 26 coppie appartenenti a 8 differenti specie nidificano su un'area di soli 20 chilometri quadrati). La locale coppia di aquile reali frequenta un territorio che include tutto il Parco e il versante destro della Dora Baltea fra Pontey e Issogne.
Oltre ai rapaci diurni, altre specie di uccelli sono stati oggetto di studi approfonditi nell'area del Mont Avic:
- la pernice bianca, prezioso relitto glaciale legato alla tundra alpina, è presente al di sopra dei 2100-2200 m di quota in tutti gli ambienti idonei del Parco ;
- il fagiano di monte, caratteristico ospite delle foreste con sottobosco di mirtilli e rododendro, è sottoposto ad un costante monitoraggio in primavera all'epoca delle parate nuziali dei maschi e ad indagini mirate alla determinazione del successo riproduttivo e all'individuazione dei siti di svernamento (questo uccello scava nella neve polverosa igloo nei quali trascorre in inverno tutta la notte e gran parte del giorno);
- il picchio nero, presente con una densità di una coppia ogni circa 300 ettari di bosco e studiato con l'ausilio di tecniche radiotelemetriche (individui equipaggiati di piccole radio emettitrici che ne consentono una costante precisa localizzazione sul terreno);
- la nocciolaia, corvide solitamente legato sulle Alpi al pino cembro e qui in una situazione ambientale simile a quella nota per l'Europa centro-settentrionale: boschi di conifere per la nidificazione e cespuglieti di nocciolo per il reperimento del nutrimento autunno invernale (la specie raccoglie i frutti nella tarda estate e li accumula come scorta in nascondigli sotterranei).

Due specie di anfibi e pesci, la rana temporaria e la trota fario, popolano in buon numero le zone umide del Parco.

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