El Bosc de la Marquesa acoge una diversidad considerable de especies de fauna de los ecosistemas litorales mediterráneos, asociados a hábitats diversos como los fondos litorales arenosos, los prados submarinos de fanerógamas, los acantilados litorales, las dunas, los pinares con maquia litoral y los cultivos tradicionales de secano.
En la parte sumergida, pueden encontrarse más de 90 especies de peces y una representación interesante de fanerógamas marinas, algas e invertebrados asociados a fondos de arena someros y los acantilados litorales.
La presencia de cultivos de algarrobos viejos de baja densidad, masas forestales en relativa sucesión natural con procesos de descomposición de madera, y de arenales y dunas, permite una rica presencia de invertebrados, con algunas especies escasas y de interés.
La comunidad de aves es la más diversa del grupo de vertebrados. Desde las aves marinas que aprovechan puntualmente los acantilados hasta las que aprovechan los espacios abiertos agrícolas, pasando por las forestales, y aquellas que utilizan este espacio litoral en los pasos migratorios, el listado registrado supera las 100 especies.
Si bien los cuerpos de agua permanente son inexistentes, algunos de los anfibios asociados a ambientes forestales y que pueden reproducirse en encharcamientos temporales (como los sapos partero, común, sapillo moteado y sapo corredor) tienen presencia. Destacan las citas históricas de salamandra, dato extraordinario para un espacio al lado del mar.
Las dunas y los espacios agrícolas abiertos permiten una gran diversidad de reptiles, entre los que destacan la lagartija colirroja, que tiene una pequeña población que depende de los arenales litorales.
Por último, y a pesar de la fragmentación impuesta por las vías de comunicación que lo aíslan del interior, la población de mamíferos incluye todas las especies habituales de musarañas, ratones, lirones, erizos, conejos y ardilla, además de jabalí, tejón, garduña, zorro y gineta.