L’ampia diversità di ambienti, sia naturali sia artificiali, presente sul Monte Pisano ha permesso la diffusione di molte specie di animali.
Sul Monte Pisano vivono stabilmente circa 30 specie di mammiferi: il cinghiale (Sus scrofa Linnaeus, 1758), la volpe (Vulpes vulpes (Linnaeus 1758)), il tasso (Meles meles (Linnaeus, 1758)), la faina (Martes foina (Erxleben, 1777)), la donnola (Mustela nivalis Linnaeus, 1766), varie specie di pipistrelli (ordine Chiroptera), di roditori (ordine Rodentia) e di insettivori (ordine Insectivora), tra cui il mustiolo (Suncus etruscus (Savi, 1822)), il mammifero più piccolo d’Italia!
Sono inoltre presenti, ma molto rare, la lepre (Lepus europaeus Pallas, 1778) e la puzzola (Mustela putorius Linnaeus, 1758) e recentemente è tornato a frequentare il Monte Pisano anche il lupo appenninico (Canis lupus italicus Altobello, 1921) superpredatore fondamentale per la stabilità degli ecosistemi naturali.
I grandi erbivori, quali il daino (Dama dama (Linnaeus, 1758)), il capriolo (Capreolus capreolus (Linnaeus, 1758)) e il cervo (Cervus elaphus Linnaeus, 1758), sono ritenuti assenti sul Monte, anche se vi sono alcune segnalazioni almeno del passaggio del capriolo.
Le specie di uccelli sono molte di più, vi sono sia specie stanziali, come molti rapaci e molti passeriformi, sia specie migratrici. Il lucherino (Spinus spinus (Linnaeus, 1758)) e il regolo (Regulus regulus (Linnaeus, 1758)) sono tra i pochi migratori svernanti sul Monte Pisano; mentre i nidificanti sono rappresentati da varie specie comuni come la rondine (Hirundo rustica Linnaeus, 1758), il balestruccio (Delichon urbicum (Linnaeus, 1758)), il rondone (Apus apus (Linnaeus, 1758)) e l’upupa (Upupa epos Linnaeus, 1758) e da alcune rare come l’assiolo (Otus scops (Linnaeus, 1758)), il succiacapre (Caprimulgus europaeus Linnaeus, 1758), il torcicollo (Jynx torquilla Linnaeus, 1758) e il biancone (Circaetus gallicus (Gmelin, 1788)) con almeno una coppia nidificante presso il Monte Verruca.
I rettili sono rappresentati con sicurezza solo da sei specie di lucertole e da cinque specie di serpenti: la lucertola campestre (Podarcis siculus (Rafinesque-Schmaltz, 1810)), la lucertola muraiola (Podarcis muralis (Laurenti, 1768)), il ramarro (Lacerta bilineata Daudin, 1802), la luscengola (Chalcides chalcides (Linnaeus, 1758)), l’orbettino (Anguis veronensis Pollini, 1818), il geco (Tarentola mauritanica (Linnaeus, 1758)), il biacco (Hierophis viridiflavus (Lacépède, 1789)), il saettone (Zamenis longissimus (Laurenti, 1768)), la natrice dal collare (Natrix helvetica (Lacépède, 1789)), il colubro di Ricciòli (Coronella girondica (Daudin, 1803)) e il colubro liscio (Coronella austriaca Laurenti, 1768). Tra i serpenti non figura la vipera (Vipera aspis (Linnaeus, 1758)), stranamente assente in tutto il territorio del Monte Pisano, ma presente invece nelle pianure circostanti.
Le specie di anfibi sono ancora meno, in quanto gli ambienti umidi, habitat ideali per questo gruppo di animali, sono poco frequenti sul Monte. Sono segnalate con certezza soltanto la rana verde (Pelophylax bergeri (Günther in Engelmann, Fritzsche, Günther & Obst, 1986)), la rana appenninica (Rana italica Dubois, 1987), la raganella (Hyla intermedia Boulenger, 1882), il rospo comune (Bufo bufo (Linnaeus, 1758)), il rospo smeraldino (Bufotes balearicus (Boettger, 1880)) e il tritone punteggiato (Lissotriton vulgaris (Linnaeus, 1758)).
Nei torrenti del Monte Pisano vivono molte specie di pesci, ma solo cinque sono sicuramente autoctone: l’anguilla (Anguilla anguilla (Linnaeus, 1758)), il barbo tiberino o barbo etrusco (Barbus tyberinus Bonaparte, 1839), il cavedano italico (Squalius squalus (Bonaparte, 1837)), la rovella (Sarmarutilus rubilio (Bonaparte, 1837)) e il vairone italico (Telestes muticellus (Bonaparte, 1837)).
La trota (Salmo trutta Linnaeus, 1758) risulta una specie autoctona per il nostro territorio, ma gli esemplari attualmente presenti sul Monte derivano da reintroduzioni recenti. Tutte le altre specie di pesci sono state introdotte dall’uomo a partire dall’epoca degli antichi Romani, soprattutto a scopo alimentare.
Gli invertebrati sono innumerevoli, sia negli ambienti acquatici sia negli ambienti terrestri. Negli ambienti acquatici vivono le sanguisughe, le planarie, alcuni piccoli bivalvi, molte larve d’insetti e due rare specie di crostacei: il gambero di fiume (Austrapotamobius pallipes Lereboullet, 1858) e il granchio di fiume (Potamon fluviatile Herbst, 1785). Negli ambienti terrestri, invece, vivono chiocciole, lumache, ragni, scorpioni, millepiedi, centopiedi e numerosissime specie d’insetti, tra cui i più vistosi sono sicuramente le farfalle e i coleotteri. Tra le chiocciole merita citare due specie adattate agli ambienti aridi: Xerosecta cespitum (Draparnaud, 1801), diffusa nell’Europa meridionale su terreni calcarei con vegetazione erbacea, e Solatopupa juliana (Issel, 1866), diffusa dalla Liguria orientale al Lazio settentrionale su rocce e muri a secco.