Sierra Alhamilla actúa como un “filtro verde” dentro de la aridez circundante, lo que potencia el desarrollo de una fauna más diversa y menos condicionada a las restricciones de los subdesiertos que la rodean. Entre los animales los más abundantes y menos estudiados son los invertebrados. Los reptiles, adaptados bien a los distintos pisos bioclimáticos de la montaña, aparecen representados por el lagarto ocelado, las lagartijas colirroja, ibérica, cenicienta y colilarga, diferentes especies de culebras como la bastarda, de herradura y de escalera y eslizones como el ibérico y el tridáctilo. Los anfibios aparecen ligados a balsas, charcas y cursos de agua semi permanentes, como lo situados en la parte meridional de la sierra donde aparecen la rana común, el sapo corredor y el común y la salamanquesa común.Durante 1995 encontramos en unos roquedales situados junto al Puntal, dos ejemplares de la lagartija moruna (Lacerta perspicitallata) con sus curiosas y características “ventanillas transparentes”, situadas en el párpado inferior; esta especie distribuida en el Noroeste de África e introducida en Menorca no aparece citada dentro del ámbito andaluz, por lo que constituye una singularidad zoológica que podría ser investigada por herpetólogos especializados.

El mayor de los mamíferos presentes es el jabalí, capaz de recorrer durante la noche decenas de kilómetros en busca de alimento, permaneciendo habitualmente escondido durante el día.

Como expertos cazadores se pueden citar al zorro que se adapta bien a todos los hábitats de la serranía, la gineta, la comadreja y el tejón o pequeños roedores como el ratón de campo, la rata común, el lirón careto y el conejo, entre otros. Existen referencias históricas de la presencia del gato montés, hoy supuestamente extinguido en esta serranía.   

Las aves constituyen el grupo de vertebrados mejor representado. Sierra Alhamilla es una de las Zonas de Especial Protección para las Aves, declaradas por la Unión Europea; sin embargo, llama la atención la escasez de estudios publicados acerca de las comunidades orníticas específicas de esta serranía, con la notable excepción del trabajo de Jesús García Latorre (1997) en el que aparecen citadas 46 especies invernantes en el área.  

En los encinares y pinares de las cumbres y de la media montaña aparecen algunas especies ligadas, aunque no exclusivas, a las masas boscosas. Entre éstas destacan pájaros carpinteros como el pito real y aves forestales, atraídas quizá por las repoblaciones de coníferas, como el piquituerto común y el carbonero garrapinos, destacando entre las nidificantes habituales el carbonero común, el herrerillo común y la paloma torcaz muy abundante en el área.

Otros pajarillos presentes en estos medios y en los matorrales circundantes son el escribano montesino, el chochín, el alzacola, el petirrojo, el verderón común, el verdecillo, el pardillo, las currucas tomillera, rabilarga y cabecinegra, los alcaudones común y real, el zorzal común, el colirrojo tizón, o tarabilla común, entre otros muchos. Los roquedales y los márgenes de las ramblas donde aparecen escarpados taludes constituyen hábitats propicios para nidificación de especies tan dispares, el roquero solitario, el vencejo real, el avión roquero, la abubilla, las vistosas carracas o los multicolores abejarucos.  

En ambos márgenes de las zonas basales de la sierra los espartales y tomillares constituyen áreas adecuadas propicias para el desarrollo de comunidades de aves esteparias, entre las que destacan el sisón, el alcaraván, la ortega o el camachuelo trompetero y de pequeños aláudidos como la alondra común, la calandria, las terreras común y marismeña y las cogujadas común y montesina, así como la rara alondra de Dupont, que se distribuye en distintos puntos de la solana de la sierra, como en los alrededores de la barriada almeriense de Las Cuevas de los Úbedas y en la finca nijareña de El Jabonero.

Entre las “rapaces forestales” adaptadas a las masas boscosas de pinar y de encinar destaca la presencia de dos especies sedentarias, el azor y el gavilán. Los cantiles y roquedales de estos barrancos serranos constituyen un refugio importante para otras rapaces amenazadas como el águila perdicera que, dentro de su escasez, presenta en esta serranía densidades de población elevadas dentro del ámbito provincial; también aparece aquí la mayor y quizá la más bella de las rapaces nocturnas, el búho real y el cazador alado más experto y veloz, el halcón peregrino. De distribución más amplia y menos determinada por hábitats concretos nidifican también la lechuza común, el cernícalo vulgar y el mochuelo común. Completando esta lista de ilustres predadores alados pueden observarse, en diferentes épocas del año, especies como el ratonero común, los aguiluchos cenizo y pálido, el águila culebrera, así como otras grandes rapaces de carácter divagante por estos lares entre las que se pueden destacar el águila real, el milano negro, el halcón abejero o el buitre leonado.