Vysokej diverzite územia biosférickej rezervácie Poľana zodpovedá aj pestrosť a bohatosť jej fauny s výskytom mnohých zoogeograficky i biocenologicky významných prvkov. U živočíchov sa tiež prejavuje vplyv reliéfu a samotná poloha horstva výskytom teplomilných a horských druhov. Mimoriadnu kvalitu dosahuje jelenia, srnčia a diviačia zver. Územie je chránenou poľovnou oblasťou. Lesy Poľany sú rajom pre poľovníkov s možnosťou získania vzácnych trofejí, najmä jeleňa a medveďa.

Veľmi bohaté je zastúpenie bezstavovcov, z ktorých je veľa druhov vzácnych a endemických. Zaujímavá je fauna mäkkýšov, ktoré sa viažu hlavne na zachovalé lesné ekosystémy, s viacerými karpatskými endemitmi, napr. Trichia bakovskii, Vestia elata, Vestia turgida, Vitrea transylvanica, Bielzia coerulans a tiež fauna pavúkov, koscov, mnohonožiek a stonožiek.

Najbohatšiu triedu bezstavovcov predstavuje hmyz. Na lúkach s jednotlivo vyčnievajúcimi kopčekmi a skalami možno nájsť rovnokrídlovce, ako koníka obyčajného (Chorthippus biguttulus ), k. suchomilného (Ch. mollis), kobylku hryzavú (Decticus verrucivorus), k. spevavú (Tettigonia cantans), a na niektorých lokalitách aj vzácneho koníka pestrého (Arcyptera fusca) a kobylku Frivaldského (Pholidoptera frivaldskyi). V poslednej dobe však lúky postupne zarastajú pre ich nedostatočné využívanie. Takto postupne dochádza k likvidácii nesporne zaujímavých biotopov a v nich žijúcich druhov.

Chrobáky relatívne zachovaných pralesovitých spoločenstiev reprezentujú napr. bystruška potočná (Carabus variolosus), b. zlatá (C. auronitens), b. (C. irregularis), krasoň (Eurythyrea austriaca), plocháč (Cucujus haematodes), fúzač alpský (Rosalia alpina) a pod.

Skupinu horských boreomontánnych reliktov predstavujú bystruška ( Carabus arcensis), kováčik (Lacon fasciatus), hnojník (Aphodius alpinus).

Niektoré lokality s južne orientovanými svahmi vytvárajú podmienky pre teplomilné druhy ako je sedlovka bronzová (Ephippigera ephippiger ), modlivka zelená (Mantis religioza), bystruška ( Carabus scabriusculus), krasone (Eurythyrea quercus, Anthaxia funerula), ktoré sú charakteristické pre panónsku zoogeografickú oblasť.

Rozkvitnuté lúky priťahujú množstvo pestrých motýľov, napr. jasoňa chochlačkového (Parnassius mnemosyne), vidlochvosta feniklového (Papilio machaon), súmračníky (Erynnis tages, Pyrgus malvae ), hnedáčiky (Melitaea cinxia, M. didyma), ohniváčiky (Lycarna tityrus, alciphro) a iné.

Poľana je bohatá aj na vodné toky. O ich čistote svedčí i výskyt niektorých dvojkrídlovcov, hlavne pakomárov (Chironomidae) a tiež pstruha potočného (Salmo trutta morpha fario).

Vyskytuje sa tu 11 druhov obojživelníkov. Najohrozenejšími sú mlok bodkovaný (Triturus vulgaris), m. vrchovský (T. alpestris), m. karpatský (T. montandoni) a salamandra škvrnitá (Salamandra salamandra). V posledných rokoch sa výrazne znížil počet lokalít a populačná hustota rosničky zelenej (Hyla arborea).

Plazy sú zastúpené 9 druhmi. Rašeliniská, vlhké lúky a brehy potokov obýva jašterica živorodá (Lacerta vivipara), zatiaľ čo prehriate skalné a lesostepné stanovištia sú biotopom jašterice múrovej (L. muralis). Veľmi zriedkavo sa vyskytuje aj jašterica zelená (L. viridis). Na prehriatych svahoch Hrochotskej doliny možno nájsť kriticky ohrozenú užovku stromovú (Elaphe longissima). Hŕby skál obýva najmä užovka hladká (Coronella austriaca). Ku kriticky ohrozeným plazom rezervácie patrí aj vretenica severná (Vipera berus).

Nesmierne bohatá je avifauna Poľany. Doteraz bolo na jej území a v blízkom okolí zistených 174 druhov vtákov, z toho 128 hniezdiacich. Mimoriadny význam tohoto územia podčiarkuje aj zaradenie Poľany medzi významné vtáčie územia Európy IBA. K charakteristickým hniezdičom tunajších pôvodných horských zmiešaných a smrekových lesov patria kuvik vrabčí (Glaucidium passerinum), k. kapcavý (Aegolius funereus), drozd kolohrivý (Turdus torquatus), ďateľ trojprstý (Picoides tridactylus ), krivonos smrekový (Loxia curvirostra). Kurovité vtáky reprezentuje okrem jariabka hôrneho (Bonasa bonasia) aj tetrov hlucháň (Tetrao urogallus), ktorého počty boli v posledných rokoch výrazne znížené predovšetkým intenzifikáciou lesnej výroby.

Zvyšky bukových a jedľovo-bukových porastov pralesovitého charakteru vytvárajú hniezdne príležitosti pre ďatľa bielochrbtého ( Dendrocopos leucotos), sovu dlhochvostú (Strix uralensis ) a muchárika červenohrdlého (Ficedula parva).

Na lúkach a pasienkoch s rozptýlenou zeleňou a hŕbami naukladaných skál hniezdia chriašteľ poľný (Crex crex), prepelica poľná (Coturnix coturnix), skaliarik sivý (Oenanthe oenanthe ). Okraje porastov v susedstve lúk sú vhodným biotopom škovránka stromového (Lullua arborea) či ľabtušky lesnej (Anthus trivialis).

K zriedkavým hniezdičom na vodných tokoch patrí pestrofarebný rybárik riečny (Alcedo atthis), bežnejšími sú vodnár potočný (Cinclus cinclus) a trasochvost horský ( Motacilla cinerea).

Na území hniezdi aj kriticky ohrozený bocian čierny (Ciconia nigra). Z dravcov sa tu vyskytuje sokol lastovičiar ( Falco subbuteo), včelár lesný (Pernis apivorus), orol krikľavý (Aquila pomarina) a vzácne orol skalný (A. chrysaetos).

Lazy sú nielen významným krajinným prvkom, ale aj charakteristickým a druhovo bohatým biotopom pre vtáctvo. K vzácnym hniezdičom tejto človekom síce ovplyvňovanej, ale ekologicky vyváženej krajinnej štruktúry patria sokol myšiar (Falco tinnunculus), drozd čvíkotavý (Turdus pilaris), muchárik sivý (Muscicapa striata). Významný z hľadiska súčasného stavu rozšírenia v strednej Európe je výskyt strakoša kolesára (Lanius minor), hniezdiaceho na ovocných stromoch.

K faune Poľany neodmysliteľne patrí aj 56 druhov cicavcov. K horským druhom mikromamálií radíme piskora vrchovského (Sorex alpinus ), myšovku horskú (Sicista betulina) i hraboša močiarneho (Microtus agrestis). Na lokality lesostepného charakteru sa vižu hraboš poľný (M. arvalis) a bielozúbka bielobruchá (Crocidura leucodon).

Bútľavé stromy, skalné pukliny, povaly senníkov a starých budov sú domovom viacerých druhov netopierov ako napr. podkovára malého ( Rhinolophus hipposideros), netopiera veľkého (Myotis myotis ), uchane čiernej (Barbaslella barbaslellus), raniaka malého (Nyctalus leisleri) a iných.

Na vodných tokoch sa vyskytuje kriticky ohrozená vydra riečna ( Lutra lutra). V tichých lesných zákutiach Poľany žije medveď hnedý (Ursus arctos), nechýbajú tu ani rys ostrovid ( Lynx lynx a vlk dravý (Canis lupus). Z poľovnej zveri je najrozšírenejšia jelenia (Cervus elaphus), dosahujúca vysokú trofejovú hodnotu. Slovenským rekordom je jeleň s vyše 240 CIC bodmi. Za účelom jej všestranného systematického výskumu, chovu na biologických základoch i zvyšovania chovnej a trofejovej hodnoty bola v roku 1975 vyhlásená Chránená poľovná oblasť Poľana. Jej územie sa prekrýva s časťou CHKO Poľana.