独特的地理环境和立体小气候，让神农架成为许多珍稀动物物种繁衍生息的好去处。这里生存有各类动物1050多种，其中有70种受到国家重点保护。
“翩翩堂前燕，冬藏夏又来”，这是古代诗人的咏燕诗句。人们都知道，燕子是一种候鸟，它们总是秋去春来，往返迁徙。可是在神农架生活着一种短嘴金丝燕，却一年四季生息在万山丛中，以洞穴为家，千秋万代，从不离去。这座山洞也因此被命名为燕子洞。
金丝燕原来是生活在海洋中的一种海鸟，在神农架还是一片大海时，它们的祖先就来到这里。造山运动抬升成陆地后，神农架气候环境特异，金丝燕便适应环境遗留下来，世代相传，直到如今。
这种学名大鲵俗称娃娃鱼的国家二级保护动物，在神农架大山深处还能经常看到。
神农架发现的另一种动物——白化动物，更具有神秘色彩。20年前中央新闻电影制片厂拍摄的一部《神农架探奇》的纪录片，这样记录了当时的情景：
过去人们总认为，世界上除了北冰洋周围有白熊外，其它地方似乎不可能再有，在神农架捕捉到四只小白熊，被生物界认为是奇事。
（字幕：湖北武汉动物园）
20年后，我们在武汉动物园又见到了白熊。与过去不同的是，这只当年取名“白白”的幼年小熊，如今已是30岁高龄，真正进入了熊类社会的老龄化阶段。神农架白熊最早发现于1954年，和生活在北极的白熊北极熊是两种完全不同的熊科动物。但关于神农架白熊在动物学中的分类地位，目前动物学界还没有公认的结论。
武汉市动物园动物管理高级工程师 杜有顺：有一部分认为，它本身是黑熊的白化，有一部分学者认为白化熊，是不同于黑熊的一个独立的种。
神农架林区发现和捕获的白熊共有10余只，曾先后在武汉、北京、上海等地的动物园展览过。神农架成年白熊身长1.75米左右，肩高0.8米左右，体重约200公斤。它主食植物，爱吃竹笋、玉米、水果。许多学者因此推断神农架白熊在分类上与国宝大熊猫亲缘关系较近，是熊科动物中的一个独立熊种。
武汉市动物园动物管理高级工程师 杜有顺：如果它真是一个独立的物种，应该是比大熊猫更加珍贵，白化熊发现得比较晚，数量也很稀少。从目前来讲，全世界就两只（生存在动物园），如果它真是一个独立的物种的话，就是相当珍贵的一个物种了。
金丝猴作为我国特有的珍稀物种，在这个世界上至少已经生存了150万年，然而直到19世纪80年代，这个中国的国宝才被国际动物界所确认。它们分布在我国中部陕西、四川、贵州等省的深山区，至于神农架是否存在金丝猴，20多年前在专家学者中间还有过一场争论。
中国科学院古脊椎动物与古人类研究所 黄万波：金丝猴最典型，本来动物学家地理学家，从来没人说神农架有金丝猴，教科书也好，他们动物地理分布也好，没有点（到）金丝猴，我们以前也不知道有金丝猴，可是我们考察就意外地发现了金丝猴。