Území je charakteristické výskytem populací živočišných druhů chráněných naší i evropskou legislativou, vázaných na větší přirozené lesní celky. Zejména staré porosty s přítomností keřového a bylinného patra a výskytem odumírajících, odumřelých a poškozených kmenů, torz, pahýlů a dostatkem ležícího dřeva dávají vhodný prostor pro nepřeberné množství bezobratlých živočichů, zejména hmyzu. Nejnápadnější jsou motýli – martináček bukový (Aglia tau), bělopásek topolový (Limenitis populi), batolec duhový (Apatura iris) nebo babočka osiková (Nymphalis antiopa). Posledně tři jmenované druhy motýlů jsou potravně závislé na přítomnosti dalších vtroušených dřevin – vrby jívy a osiky, V trouchu odumřelých bukových kmenů a pařezů se vyvíjejí larvy roháčka bukového (Sinodendron cylindricum) a roháčka kovového (Platycerus caprea).
Na květech na okrajích lesa je možné v létě spatřit zdobence zeleného (Gnorimus nobilis) a zdobence skvrnitého (Trichius fasciatus) i několik druhů tesaříků. Tam, kde se dochovaly ležící trouchnivějící kmeny smrků a jedlí, přežívá dosud populace velmi vzácného roháčka jedlového (Ceruchus chrysomelinus). V listí, hrabance a pod kmeny žijí vedle plžů, stonožek, mnohonožek a pavouků i draví střevlíci, např. střevlík lesní (Carabus sylvestris) a fialový (Carabus violaceus), střevlík nosatý (Cychrus attenuatus) a další.

Vodní biotopy si oblíbila škeble rybničná (Anodonta cygnea), rak říční (Astacusastacus), mihule potoční (Lampetra planeri), střevle potoční (Phoxinus phoxinus).

Obojživelníky zastupují především mlok skvrnitý (Salamandra salamandra), čolek horský (Ichthyosaura alpestris), skokan hnědý (Rana temporaria) a ropucha obecná (Bufo bufo).

Z plazů se zde objevuje slepýš křehký (Anguis fragilis), na skalnatých svazích je možné potkat zmiji (Vipera berus), v blízkosti vod také užovku obojkovou (Natrix natrix).

Mezi vzácnější ptáky patří lejsek malý (Ficedula parva), datel černý (Dryocopus martius) či žluna šedá (Picus canus). Na rozsáhlejší lesní porosty, často v blízkosti pramenišť, potoků a vlhčích míst, je vázán čáp černý (Ciconia nigra). Z dalších chráněných druhů jmenujme včelojeda lesního (Pernis apivorus), sýce rousného (Aegolius funereus), holuba doupňáka (Columba oenas). Skály nabízejí vhodné hnízdní příležitosti výru velkému (Bubo bubo) a krkavci velkému (Corvus corax), v poslední době i jednomu z nejrychlejších živočichů vůbec – sokolu stěhovavému (Falco peregrinus). Charakteristickými obyvateli bučin jsou ptáci, kteří využívají k hnízdění dutiny ve starých stromech, jednak přirozené, jednak vytesané datly, žlunami zelenými (Picus viridis) a šedými a strakapoudy velkými (Dendrocopos major). Přirozené dutiny jsou doplňovány ptačími budkami na podporu hnízdění. Drobné pěvce zastupují běžné druhy  sýkory, rehek zahradní (Phoenicurus phoenicurus), brhlík lesní (Sitta europaea), červenka obecná (Erithacus rubecula), střízlík obecný (Troglodytes troglodytes), lejsek černohlavý (Ficedula hypoleuca), pěnice černohlavá (Sylvia atricapilla) a další.

Savci jsou zastoupeni malým počtem druhů. Na zemi žijí hojně hmyzožravci rejsek obecný (Sorex araneus) a malý (S.minutus) a hlodavec myšice lesní (Apodemus flavicollis). Dutiny ve stromech využívají plšík lískový (Muscardinus avellanarius) a plch velký (Glis glis) i několik druhů netopýrů. Žije zde liška obecná (Vulpes vulpes) a kuna lesní (Martes martes) i skalní (Martes foina), lasice kolčava (Mustela nivalis) a hranostaj (Mustela erminea), na vodní biotopy je vázána vydra říční (Lutra lutra).
Největším zástupcem zvířeny Jizerskohorských bučin je jelen evropský (Cervus elaphus). Spárkatá zvěř – jelení a srnčí je v Jizerských horách přemnožená a škodí v přirozených porostech lesních dřevin.
Velké šelmy jako medvěd (Ursus arctos), vlk (Canis lupus) a  rys (Lynx lynx) byly v Jizerských horách vyhubeny v polovině 18. století, aktuální je návrat vlka i rysa.
Naopak introdukován byl daněk (Dama dama), prase divoké (Sus scrofa)  a muflon (Ovis aries musimon): tato zvěř byla původně chována v oborách. Mezi nepůvodní druhy patří i psík mývalovitý (Nyctereus procyonoides),  který umí z území vytlačit i většího jezevce (Meles meles).