Die bewaldeten Höhenzüge des Eggegebirges und des südlichen Teutoburger Waldes sind Lebensraum der seltenen Wildkatze. Die von der Buche dominierten Wälder beherbergen auch Rot-, Dam-, und Schwarzwild. Typische Vogelarten sind Schwarzstorch, Uhu und Kolkrabe. Über der freien Landschaft ziehen regelmäßig Rotmilane ihre Kreise. Daneben leben elf bestandsgefährdete Fledermausarten (z.B. Bechstein-, Teichfledermaus, Großes Mausohr) in den zahlreichen Höhlen des Naturparks.
Im Wisentgehege Hardehausen werden zudem Wisente und Tarpane gezüchtet. Die alte Haustierrasse der Senner Pferde kann in der Moosheide und im Freilichtmuseum Detmold bestaunt werden.
Eine große botanische Besonderheit ist das Galmeiveilchen, das weltweit nur in den Bleikuhlen Blankenrode vorkommt.