Rozmanitost flóry a fauny Českosaského Švýcarska závisí především na jeho geologické a geomorfologické stavbě. S typickými druhy se setkáváme na kyselých pískovcích a s jinými zase v okolí vulkanitů. Značné rozdíly panují mezi květenou a zvířenou osluněných jižních svahů a naopak severních svahů s hlubokými roklemi, kam slunce téměř nepronikne. Zcela unikátní je v tomto ohledu kaňon řeky Labe, který pro Českou republiku představuje hlavní biokoridor spojující ji s přírodou okolní Evropy. Velký vliv na biodiverzitu Národních parků České a Saské Švýcarsko má i skutečnost, že více než 95 procentech  jejich území pokrývají lesy. Není však les jako les a tak je velký rozdíl v jejich složení na kyselých a chudých půdách pískovců a naopak na bohatých půdách čedičových vyvřelin.

Na složení fauny Českosaského Švýcarska se vedle přírodních podmínek uplatňuje působení člověka, který zde v minulosti vyhubil četné druhy zvířat. K hlavním druhům savců, kteří zde kdysi žili, patřil medvěd hnědý, vlk, kočka divoká nebo také los evropský. Z ptáků se zde  v nedávné minulosti vyskytoval např. orlovec říční, jeřábek lesní, tetřívek obecný a teprve před pár desetiletími byl vyhuben tetřev hlušec, jehož poslední hnízdění bylo pozorováno v roce 1983. Dnes se naopak vynakládá velké úsilí na znovunavrácení alespoň některých druhů, které byly pro zdejší oblast typické. V posledních letech se to již podařilo u sokola stěhovavého či lososa obecného a probíhají přípravy na reintrodukci jeřábka lesního a tetřeva hlušce.

K největším druhům fauny Českého Švýcarska patří savci. Při troše štěstí lze v hlubokých lesích potkat jelena evropského, prase divoké či srnce obecného. Vyskytují se i  mufloni a kamzíci, kteří sem byli uměle vysazeni. V podzemních norách se ukrývají  lišky a  jezevci, dutiny stromů často obývají veverky  a  kuny, tu a tam se objeví i zprávy o spatření rysa ostrovida, který sem zavítal na svých dalekých toulkách. Jeskynní prostory a skalní rozsedliny v pískovcích poskytují útočiště pro četné druhy  netopýrů (např. netopýr ušatý, netopýr velký, vrápenec malý, netopýr hvízdavý, netopýr rezavý či vzácný netopýr Brandtův). Dosud bylo v Českosaském Švýcarsku zjištěno 16 druhů netopýrů. Typický je i plch velký, roztomilý hlodavec, který často potěší svou návštěvou turisty hledající úkryt pod skalními převisy. Vidět lze i jeho vzácného příbuzného plcha zahradního, plšíka lískového nebo i  častého rejska.

Vodní toky si oblíbila vzácná vydra říční, která zde nachází bohatá loviště a v kaňonu Labe se opět usadil i bobr  evropský.  Většina potoků a říček patří k pstruhovým vodám, kde se vedle pstruha vyskytuje lipan podhorní, vranka obecná i kriticky ohrožená mihule potoční, vzácně i úhoř či mník jednovousý. Králem zdejších ryb je bezesporu losos obecný, který se po sedmdesátileté odmlce díky záchrannému programu opět navrátil do říčky Kamenice. Správou národního parku pro něj byly vybudovány i rybí přechody k překonání vysokých jezů v Edmundově a Divoké soutěsce. V řece Labe bylo zjištěno více než 20 druhů ryb a s navracející se čistotou říční vody se tento počet neustále zvyšuje. V bukových lesích labského kaňonu a na březích dolní Kamenice lze za deštivého počasí vidět krásného mloka skvrnitého, na teplých stanovištích je častá i ještěrka živorodá či slepýš křehký, malé vodní nádrže obývají čolek obecný, čolek horský i kriticky ohrožený čolek velký, mokřady jsou domovem pro žáby skokana hnědého, skokana štíhlého i ostronosého či ropuchu obecnou a mnohé druhy  šneků. V kaňonu Labe se často ozývá i krásně vybarvený, kriticky ohrožený skokan skřehotavý. Z hadů lze zejména na jaře vidět dnes již vzácnou a kriticky ohroženou zmiji obecnou, poblíž vody i  užovku hladkou  či užovku obojkovou.

Z ptáků si hluboké soutěsky protékané říčkami oblíbil nádherný ledňáček říční a  skorec vodní, častý je zde konipas horský a občas sem zalétne na lov i volavka popelavá. V hlubokých lesích si na stromech či skalách pravidelně staví svá hnízda vzácný čáp černý,  skalní dutiny a římsy obývá krkavec velký a po úspěšném znovuvysazení i sokol stěhový. Tomu se zde opět natolik daří, že se odtud šíří do dalších míst svého někdejšího výskytu. Z dravců zde hnízdí i poštolka obecná, časté je káně lesní, vzácnější pak jestřáb lesní a v posledních letech sem od nedalekých rybničních oblastí pravidelně zalétá i orel mořský. V posledních letech se znovu objevují i luňáci a také orlovec říční, i když zde tento kdysi domácí druh zatím nehnízdí. Naopak kriticky ohrožený jeřáb popelavý si zde v mokřadech u rybníků svá nová hnízdiště našel a patří k největším vzácnostem zdejší přírody.

 Vyskytuje se zde i sluka lesní, bekasina otavní, více druhů lejsků a náhorní plošiny levého břehu Labe obývá tetřívek obecný. Skalní římsy si oblíbil výr velký, naše největší sova, a vyskytuje se i sýc rousný nebo kulíšek – naše naopak nejmenší sova. V zimě v lesích hnízdí křivka obecná a z vzácnějších druhů lesy obývá i datel černý či žluna šedá, častý je strakapoud velký, brhlík lesní, sojka obecná a vyskytuje se holub hřivnáč i vzácný holub doupňák. Z luk kolem obcí se koncem jara hlasitě ozývá chřástal polní, v okolí lesních požářišť byl zaznamenán lelek lesní.

Na drobné ptactvo je bohaté i okolí lidských sídel, kde lze v zimě a na jaře u krmítek spatřit pěnkavu obecnou i pěnkavu jikavce, strnady, čížky, stehlíky, sýkory koňadry, modřinky, babky i mlynaříky,

dlaska tlustozobého, zvonka zeleného, hýla obecného, pěvušku modrou, červenku obecnou či rehka domácího, u potoků se daří konipasu bílému, luční krajinu obývá ťuhýk obecný a vodnímu ptactvu se daří především v údolí kaňonu Labe, kde tažní ptáci, jako např. kormorán velký a různé druhy kachen nacházejí svá dočasná útočiště. K nejběžnějším patří kachna divoká, ale u vodních ploch lze vidět i morčáka velkého, zrzohlávku rudozobou, potápky roháče, poláka chocholačku či lysky běločelé a labuť velkou. Celkem bylo doloženo hnízdění více než 130 druhů ptáků.

Z hmyzu je Českosaské Švýcarsko mimořádně bohaté na motýly, když např. v okolí Vysoké Lípy jich bylo zjištěno na tisíc druhů. Na jižním úbočí Děčínského Sněžníku se vyskytuje vzácný přástevník kostivalový, v okolí Růžové lze zahlédnout i další teplomilný druh – otakárka feniklového, k nejkrásnějším motýlům patří babočka admirál, babočka paví oko a babočka kopřivová či babočka bodláková, četné je i množství druhů okáčů, bělásků, žluťásků, hnědásků, kdy u Vlčí hory byl ojediněle zjištěn i velmi vzácný hnědásek chrastavcový, modrásků, perleťovců s překrásně vybarvenou spodní stranou křídel a překvapivě častý je zde i výskyt jinde vzácného běláska ovocného s téměř průhlednými křídly.

 Nádherný je ohniváček celíkový, bělopásek topolový, stejně jako ohniváček černokřídlý, batolec duhový  či vřetenuška obecná.  Mnohé vzácné druhy motýlů jsou vázány na určité rostliny, jako na typický rojovník bahenní. Před návštěvníky zůstávají skryti četní noční motýli – můry, ale často lze spatřit jejich neuvěřitelně pestrobarevné housenky aktivní i ve dne, jako jsou  např. štětconoš ořechový či lišaj borový. Vyskytuje se i řada vzácných druhů brouků, z nichž například chrobák černý byl v ČR i Sasku dlouho pokládán za vyhynulého a teprve nedávno se jej u Hřenska podařilo znovu objevit.

 Jedním z nejčastějších druhů je chrobák velký, četné jsou mnohé druhy střevlíků, jako např. střevlík zlatolesklý či střevlík hajní, vyskytuje se mnoho  kovaříků, nosatců, z nichž některé druhy se vyskytují i v porostech měsíčnice a patří k nim i řada druhů velkých klikorohů. Dále se vyskytuje řada páteříčků, mandelinek, smoláků  či  mnoho druhů  tesaříků. Vzácní jsou roháčci, žijící na odumřelém dřevu a např. na bohatých bylinných porostech čedičových půd lze spatřit mandelinku nádhernou.

 Na okoličnatých rostlinách se vyskytuje pestrokrovečník včelový, na lesních loučkách lze vidět svižníka polního a častý je i kousavec korový či zobonoska březová. Ve vzácných liliových biotopech se vyskytuje chřestovníček liliový, velmi četné jsou druhy ploštic, jako ruměnice pospolná, a pod osluněnými převisy se daří mravkolvům, jejichž trychtýřky v suchém písku nelze přehlédnout. Z rovnokřídlého hmyzu je velmi vzácná i kobylka Pholidoptera aptera bohemica žijící na čedičových vyvřelinách, která se v ČR nikde jinde nevyskytuje, či stejně vzácná jeskynní kobylka Troglophilus neglectus obývající podzemní prostory.

 Na loukách je běžná kobylka zelená a v řídkých listnatých lesích  a na suchých loukách je k vidění i vzácná kobylka hnědá. Suché písčité půdy má ráda kodulka a velmi početní jsou další zástupci blanokřídlého a dvoukřídlého hmyzu. Patří k nim četní čmeláci, různé druhy vos a vosiček, dlouhososka velká  nebo např. pestřenky, jako pestřenka hrušková.

Stejně jako u flory, vyskytují se vzácné druhy hmyzu díky inverznímu klimatu především v hlubokých skalních soutěskách, kde přežívají i chladnomilné druhy od dob ledových. Jiné druhy se sem naopak novodobě šíří v důsledku současných globálních klimatických změn. Příkladem je původně tropický krásný pavouk křižák pruhovaný, který je v Českém Švýcarsku hojný, ale v rámci České republiky, kam se rozšířil od Balkánu, je považován za vzácného. K dalším běžným pavoukům patří křižák, křižák čtyřskvrnný, běžník kopretinový, četní sekáči nebo pavouci obývající jeskynní prostory a tmavé skalní převisy či řada druhů obývajících mokřady a břehy vodních ploch.

 K nejdrobnějším formám hmyzu patří chvostoskoci vyskytující se v obrovských množstvích časně z jara na sněhu nebo jiný druh žijící ve skalních prohlubních, který dokáže čile skákat podobně jako blecha. Svým tvarem je klíšťatům podobná sametka rudá. Čisté vodní toky a malé vodní plochy poskytují útočiště více než dvaceti druhům vážek, jako páskovec kroužkovaný, vážka rudá, šídlatka páskovaná, šidélko páskované, šidélko ruměné i  další druhy šidélek nebo i vážka ploská.