Além da riqueza em invertebrados, principalmente artrópodes, a Floresta Atlântica possui uma importante fauna de vertebrados. No entanto, muitas espécies ainda são desconhecidas pela ciência e correm o risco de nem serem descobertas se o processo de destruição das matas tiver prosseguimento.
Uma das principais características da fauna que vive na Floresta Atlântica, assim como em outras florestas tropicais do mundo, é o fato de ser diversificada e marcada pela presença de muitas espécies endêmicas. Várias destas espécies possuem baixas densidades populacionais, o que caracteriza um grande número de espécies raras.
A preservação das espécies endêmicas da Floresta Atlântica é extremamente preocupante, face à situação atual de devastação. Mesmo as espécies endêmicas que ainda não possuem suas populações reduzidas a um número crítico merecem atenção especial para sobreviverem.
Como exemplo pode-se mencionar que há um grande número de espécies endêmicas na avifauna, que têm como centro evolutivo a Serra do Mar e que, com distribuição geográfica extremamente restrita, encontram-se em situação de vulnerabilidade. Este é o caso do pintor-verdadeiro (Tangara fastuosa), nas florestas dos Estados de Pernambuco e Alagoas.
Entre os primatas brasileiros estão relacionadas cerca de 25 espécies ameaçadas de extinção e alguns deles são endêmicos da Floresta Atlântica. Esta é, por exemplo, a situação de quatro espécies de mico-leões (Leontopithecus spp) e do muriqui (Brachyteles aracnoides), o maior dos macacos neotropicais.
As áreas mais prejudicadas da Floresta Atlântica são justamente as mais importantes do ponto de vista conservacionista. São as remanescentes das matas do sul da Bahia e do Espírito Santo, que abrigam os últimos exemplares de gêneros e espécies de plantas e animais ameaçados de extinção.
Na região Sudeste, onde se desenvolveram grandes metrópoles como São Paulo e Rio de Janeiro em áreas outrora de Floresta Atlântica, ainda existem trechos relativamente grandes onde recentemente foram criadas áreas de proteção ambiental e transformados, inclusive, na Reserva da Biosfera da Mata Atlântica. Nelas estão os últimos refúgios de um dos ecossistemas mais ricos do mundo.
