La fauna de este parque es muy rica, y cuenta con algunas especies endémicas y otras muchas amenazadas (21 a nivel nacional y 43 a nivle regional).

Aquí viven cerca de 200 especies de aves: rapaces de gran tamaño, como el buitre negro (Aegypius monachus), el águila ibérica (Aquila adalberti), el águila real (Aquila chrysaetos); aves que habitan en las rañas, como la avutarda (Otis tarda), el sisón (Tetrax tetrax), la cogujada (Galerida cristata), etc; aves de los sotos como el martín pescador (Alcedo atthis), la oropéndola (Oriolus oriolus), el trepador azul (Sitta europea).

Cabañeros es tierra de grandes mamíferos (45 especies, 3 de ellas introducidas). Podremos ver al ciervo (Cervus elephus), al jabalí ( Sus scrofa)y al corzo (Capreolus capreolus).Son parte del paisaje de la raña desde finales de agosto hasta enero.

La Herpetofauna tiene también una buena representación. Como reptiles cabe destacar el galápago europeo (Emys orbicularis), el galápago leproso (Mauremys leprosa) en los arroyos de la raña. El lagarto ocelado (Lacerta lepida) ocupa casi todo el Parque, al contrario que el lagarto verdinegro (Lacerta schreiberi), típico de los sotos de arroyos montanos. La lagartija ibérica (Podarcis hispanica) suelen encontrarse con mayor frecuencia en los claros del bosque de ladera, ocupando las pedrizas, superponiéndose con la distribución de la lagartija colilarga (Psammodromus algirus), aunque esta tiende a encontrarse en las zonas mas bajas.

La poblaciones de anfibios de Cabañeros son muy interesantes. Destacan la salamandra (Salamandra salamandra bejarae), subespecie exclusiva de Montes de Toledo y Sierra de San Vicente; el tritón ibérico (Triturus boscai) y el tritón verdinegro (Triturus pygmeus).
Otros anfibios que pueden observarse en el Parque son el sapo partero ibérico (Alytes cisternasi), el sapillo pintojo ibérico (Discoglossus galganoi); sapo de espuelas (Pelobates Cultripes); sapo común o escuerzo (Bufo Bufo Spinosus); sapo corredor (Bufo calamita); ranita de San Antonio (Hyla arborea mollen), habitante de las zonas montanas; ranita meridional (Hyla merionalis) y la rana común (Rana perezi).

Las especies de peces más representativas son el jarabugo (Anaecypris hispanica), únicamente presente en el Estena; barbos (Barbus comiza y B. Microcephalus), cachuelo (Leuciscus pyrenaicus), boga (Chondrostoma polylepis wikommii), pardilla (Rutilus lemmingii), calandino (Tropidophoxinellus alburnoides) y colmilleja (Cobitis paludica).

Este Parque cuenta con 1000 especies catalogadas de plantas vasculares, de las que 98 son árboles y arbustos. Quejigos, arces, encinas y alcornoques originan un bosque de carácter mixto con dominancia de unas u otras especies según la zona. Jaras (Cistus ladanifer), brezos (Erica arborea), madroños (Arbutus unedo), romeros (Rosmarinus officinalis), majuelos (Crataegus munogina subsp. Brevispina), cantuesos (Lavandula stoechas), labiérnagos (Phyllirea angustifolia), lentiscos (Pistacia lentiscus), durillos (Viburnum tinus) y zarzamoras (Rubus ulmifolius) conforman el matorral que cubre laderas y montes.

En zonas de umbría es posible encontrar algún acebo (Ilex aquifolium). Lagunas y charcas se cubren de ranúnculos (Ranunculus ssp.); mientras en los tramos de aguas tranquilas y profundas del rio Bullaque son habituales los nenúfares amarillos (Nuphar luteum). La vegetación de ribera de estas zonas alcanza cierta espesura en forma de bosques-galería que, umbrosos y húmedos, están formados principalmente por sauces (Salix atrocinerea), alisos (Alnus glutinosa) y fresnos (Fraxinus angustifolia). A sus pies, el arraclán (Frángula alnus), el mirto (Mirtus communis), el brezo, la zarza o algunas lianas como la madreselva (Lonicera implexa) y la zarzaparrilla (Smilax aspera) forman un sotobosque que da cobijo a numerosas aves.