历史上秦岭地区分布有诸多大型物种。在秦岭东段河南省西峡盆地发现的巨大的恐龙蛋化石群，说明1亿年前白垩纪时期盛行的恐龙在如今称之为“秦岭”的地域普遍分布。其后在漫长的进化过程中，秦岭还分布有其他一些古脊椎动物。大约在中新世晚期距今约800万～900万年时，熊猫开始在地球上出现，随后在更新世中晚期，剑齿象、大熊猫小种、转角羚羊、褐熊等动物达到全盛，其化石被发现于秦岭的陕西洋县等地。距今100万～150万年前，秦岭腹地商洛市镇安县周围至少分布有20多种哺乳动物，主要有变异狼、巨剑齿虎、豹、中华黄昏兽、巨貘、蓝田犀牛等，这在该县黄家湾乡发现的一个巨大化石群中得到了充分证明。亚洲象、犀牛等也曾在秦岭广为分布，但由于气候、植被、地质灾变等因素，到19世纪岭南地区的亚洲象和犀牛也已相继灭绝。唐代李白的名句“两岸猿声啼不住，轻舟已过万重山”中的猿乃指长臂猿，不但分布于长江流域三峡地区，其时秦巴山区也是主要分布区，但目前只有云南和海南部分地区存在，南移了6个纬度。

　　大熊猫是有灵性的动物，曾经遍布全世界，它选择秦岭作为自己永久的家园并非偶然。春秋战国时期，秦岭就有大熊猫，汉代司马相如在《上林赋》中提到的貘就是指大熊猫，唐代白居易《貘屏赞》中提到“亲其皮，辟温；图其形，辟邪”，可见唐代长安附近大熊猫的数量很多。到清代后期，秦岭地区的大熊猫分布区大大缩小，如今仅在陕西佛坪等9县和甘肃文县的深山老林中才能找到它们的身影。秦岭大熊猫已经成为一个新亚种——秦岭亚种。在形态学方面，与四川大熊猫相比，秦岭亚种表现出骨骼较小和臼齿较大的特征，通俗地讲就是秦岭大熊猫的头型是圆型的“猫头”，四川大熊猫的头型是“狗头”，嘴巴前伸突出，像狗熊。相比之下，秦岭大熊猫圆头圆脑更显得可爱，更招人喜欢；从毛皮着色比较，四川大熊猫个体胸斑为黑色，腹毛为白色，而秦岭大熊猫胸斑为暗棕色，腹毛为棕色；通过分子生物学分析，可以看出秦岭大熊猫与四川大熊猫至少有5万年的地理隔离，亚种正是由于长期的地理隔离导致其遗传基因隔离而形成的。由于我国现存野生大熊猫数量只有1600只左右，而秦岭大熊猫数量仅有300多只，因此秦岭大熊猫则更显得弥足珍贵，堪称“宝中之宝”。

　　金丝猴的美誉仅次于大熊猫，素有“国宝”、“猴中之王”的称号。历史时期对其称谓较多，《山海经》中的“猓蹨”、《楚辞》中的狖、清乾隆时期《西安府志·物产》中的狨意指金丝猴，民国十四年《周至县·田赋》记述有人牵狨至户县卖之，“性似猴，尾长，毛黄赤色”，从形态上充分证明了狨和金丝猴实为一体。

　　朱鹮是东北亚地区特产鸟类之一，曾分布于中国中部、东部及西伯利亚东南部、日本列岛、朝鲜半岛。至20世纪60年代，各地野生种群陆续灭绝，1981年我国学者在陕西洋县重新发现了朱鹮，目前种群从1981年的7只已发展到1000多只。

　　华南虎是在秦岭分布的唯一虎种，在3000多年以前，华南虎是秦岭山中的丛林之王。在西周时候就有华南虎的记载。《逸周书·世俘解》上说，西周初年，周武王一次打猎就捕获了22只虎，足见彼时虎的数量之多和种群之大。在陕西出土的很多西周时期的青铜器和玉器中，都有虎的造型和大量虎形纹饰的应用，如：著名的西周虎食人卣、西周青铜虎尊等。从唐代到明清时代，秦巴山区的华南虎数量众多，十分活跃；到18世纪末，数量开始不断下降，民国时期已不多见；20世纪50年代，在当地土产部门还能收购到虎皮；1964年在佛坪县龙草坪猎杀1只华南虎，此后再未见该地区存在有任何野生华南虎实体。

　　云豹、豹是秦岭山区分布仅次于华南虎，也是目前秦岭地区仅存的大型食肉动物，同狼一样在秦岭各县的县志上都有记载。这些凶猛物种在明清时较多，但从20世纪初后，数量急剧减少，近20年来已少见踪迹。

　　林麝、羚牛等草食性动物目前在秦岭地区相比以上物种容易见到，从汉代到明清时代在我国也曾广泛分布。唐代王维《戏题辋川别业》中的诗句“柏叶出齐养麝香”，不但说明麝的分布和数量广、大，而且对麝的养殖利用也相当高。羚牛一度由于乱捕滥猎数量急剧下降，但由于《野生动物保护法》等措施的实施，其数量在20世纪90年代后逐渐上升，目前时有下山闯入民宅，威胁民众生命财产的报道，应开展狩猎，合理利用。