A Mata Atlântica abriga em seus domínios uma diversidade natural muito importante. Seus campos e matas de altitude, mangues e restingas abrigam uma variedade de animais que a transforma num dos ecossistemas de maior biodiversidade do planeta, e também num dos mais frágeis. Este patrimônio deve ser preservado a todo custo, principalmente com uma maior conscientização dos seus inúmeros visitantes, afinal cada detalhe da mata está intimamente ligado à vida desse conjunto natural.

Muitas de suas espécies são endêmicas. Dos mamíferos que vivem na floresta, 39% somente são encontrados nessa região. O mesmo se dá com a maioria das borboletas, répteis, anfíbios, primatas e aves. Graças ao desmatamento acelerado que a Mata Atlântica sofre desde o século XVI, muitas espécies estão ameaçadas de extinção. Outras já foram dizimadas com a perda de seu habitat, antes mesmo de chegarem a ser conhecidas pela civilização. Hoje estão catalogadas cerca de 400 espécies de aves, 183 de anfíbios, 146 de répteis, e 131 de mamíferos. Apesar dessa rica variedade, é bastante difícil conseguir encontrar, observar, ou fotografar qualquer espécie durante um passeio pela mata. Mas nem por isso, esse emaranhado de árvores, trepadeiras, orquídeas, samambaias e banhados deixa de ser um paraíso para os atentos observadores de aves e peixes raros como o bagre cego, Pimelodella kronei, exclusivo da águas do escuro ambiente das cavernas. Em suas regiões mais altas, que ultrapassam os 1.000 metros, encontram-se os campos de altitude, regiões campestres de vegetação rasteira, onde vivem aves como o quete, Poospiza lateralis, e o tibirro do campo. Entre os 900 e 1.500 metros, onde a neblina característica mantém elevado o nível de umidade, estão as Matas de Altitude, ou Floresta Nebulosa, o habitat de migração para aves como o beija-flor-preto-e-branco, Melanothrochilus fuscus, e a saíra-lenço, Tangara cyanocephala, e dos residentes sanhaço-frade, Stephanophorus diadematus, e o estalinho, Phylloscartes dificilis. E, ainda, o sagüi-da-serra-escuro, Callithrix aurita, e a perereca, Brachycephalus nodortega.

A Floresta de Encosta, abaixo de 900 e até 50 metros de altitude, onde a cobertura vegetal é bastante densa, com árvores ultrapassando os 30 metros de altura, o deslocamento é bastante difícil, e a maior ocorrência é de mamíferos com hábitos arborícolas. Aí destacam-se o grupo de primatas, com 20 espécies. O mais famoso deles é o monocarvoeiro, Brachyteles arachnoides, o maior primata das Américas. Sua população já chegou a 400 mil, mas hoje não passam de 400. Dividindo o chão úmido dessa mata, encontramos mamíferos como a onça pintada, Panthera onça, a onça parda, Puma concolor, a jaguatirica, Leopardus pardalis, que dependem da Mata Atlântica para sua sobrevivência. E ainda, antas, tamanduás, porcos-do-mato, catinguelê, gambá-de-orelha-preta, cutias, guaxinins, uma infinidade de cobras, jabutis, lagartos e muito mais.
Descendo em direção às planícies fluvio-marinhas e nos depósitos de sopé de encosta, entre figueiras, guapuruvus, caixetais, registra-se a presença de aves endêmicas como o chocó, Carponis melanocephalus, o jaó-do-litoral, Crypturelus noctivagus, e o mico-leão-de-cara-preta, Leontopithecus caissara, um primata seriamente ameaçado de extinção. A floresta de restinga e as encostas, freqüentemente inundadas na época das chuvas, é o ambiente propício para peixes e anfíbios, muitos deles endêmicos.
E, por fim, os manguezais representam a base da fertilidade das águas costeiras. Devido à alta concentração de matéria orgânica nessas águas, trata-se do fornecedor de energia ao conjunto de seres vivos que compõem essa complexa cadeia alimentar. Ali acontece a desova de peixes, crustáceos e moluscos. A população residente de animais é restrita, representada por caranguejos e moluscos. As garças, gaivotas, mergulhões e guaxinins também são assíduos frequentadores dos mangues.