Vườn quốc gia Xuân Liên là nơi bảo tồn nhiều loài động vật quý hiếm, trong đó có những loài đang đứng trước nguy cơ tuyệt chủng. Sau đây là một số loài chim thú nổi bật đang được bảo tồn tại vườn quốc gia này.
4 loài cầy quý hiếm, gồm cầy vằn Bắc, cầy vòi mốc, cầy vòi hương và cầy móc cua đã được ghi nhận qua những chiếc bẫy ảnh đặt tại Vườn quốc gia Xuân Liên (Thanh Hóa).
Nhằm bảo tồn các loài động vật quý hiếm, Ban quản lý Khu Bảo tồn thiên nhiên Xuân Liên (nay là Vườn quốc gia Xuân Liên) đã triển khai Dự án khoa học 'Điều tra, bảo tồn và phát triển các loài trong họ cầy (Viverridae)'.