Doposiaľ tu bolo zistených vyše 3000 druhov bezstavovcov, z toho najpočetnejšie sú motýle – 932 druhov, chrobáky – 717 druhov, dvojkrídlovce – 509 druhov a 350 druhov pavúkov. Zo stavovcov sa tu vyskytuje šesť druhov rýb, šesť druhov obojživelníkov, 110 druhov hniezdiaceho vtáctva a 60 druhov cicavcov. Hniezdi tu aj orol skalný. Problémy spôsobuje introdukovaný alpský druh kamzíka vrchovského, ktorý ohrozuje pôvodný druh tatranského kamzíka vrchovského na území NP Nízke Tatry, a poškodzuje vzácnu skalnú vegetáciu Veľkej Fatry.

Najväčším prírodným bohatstvom Národného parku Veľká Fatra sú zachovalé prírodné lesy a pralesy karpatského typu so zastúpením smreka, jedle a buka ako hlavných drevín. Unikátom je najväčší výskyt tisu obyčajného v Európe. Na území národného parku sa vyskytuje vyše 50 druhov chránených rastlín z celkového počtu 96, ktoré sú chránené na Slovensku. Pravé botanické skvosty predstavujú endemity Veľkej Fatry, ktoré sa vyskytujú len na jej území: cyklámen fatranský a jarabina pekárovská.

Najstaršou rezerváciou v národnom parku je Národná prírodná rezervácia Harmanecká tisina (1949), zriadená hlavne na ochranu spomínaného tisu obyčajného, ktorý je poškodzovaný najmä jeleňou zverou, čo zapríčiňuje jeho čiastočný ústup.