Terre de contrastes par son altitude (1910 m), sa situation géographique entre climat méditerranéen et alpin et sa morphologie asymétrique, le mont Ventoux présente une étonnante diversité de milieux, abritant une très grande diversité d’espèces végétales et animales. Certaines sont protégées car menacées de disparition. Le Parc entend donc renforcer l’action locale pour la préservation de ces espèces patrimoniales.
Les outils mobilisés sont nombreux : amélioration des connaissances, préservation des sites de reproduction, restauration des milieux naturels, surveillance ou sensibilisation des acteurs, des usagers et du public. La déclinaison locale des Plans Nationaux ou Régionaux d’Actions constitue un levier majeur pour répondre aux enjeux de conservation des espèces concernées.
Le territoire du Ventoux accueille un couple de Vautour percnoptère (Neophron percnopterus) de manière régulière (gorges de la Nesque). Cette espèce est l’un des oiseaux les plus menacés de France et d’Europe. Il est classé « En Danger Critique » (CR) sur la liste rouge régionale des espèces menacées (UICN). Malgré les divers projets et programmes de conservation de l’espèce (Natura 2000, LIFE, Plan National d’Action), celle-ci demeure fragile dans le Sud de la France. Un projet à l’échelle des Parcs naturels régionaux de la région Sud concernés par l’espèce a donc été proposé à l’Office Français de la Biodiversité (OFB) pour coordonner une action d’envergure en 2019-2021.
Ce projet InterParcs permet de poursuivre le suivi de la reproduction du couple présent et rechercher des nouveaux couples, de mettre en place une nouvelle placette de soutien alimentaire 
(charnier), d’effectuer le suivi photographique des placettes et d’engager une concertation avec les éleveurs pour l’approvisionnement de la nouvelle placette ainsi qu’avec les pratiquants de pleine nature pour concilier l’activité d’escalade et la conservation de l’espèce. D’autres actions à l’échelle des Parcs naturels régionaux de la région Sud sont également prévues, notamment en matière de communication afin de sensibiliser le public à la préservation de ce rapace emblématique. Au niveau local, le Parc du Mont-Ventoux s’associe avec le Conservatoire des Espaces Naturels de Provence-Alpes-Côte d’Azur (CEN PACA), coordinateur du PNA pour le Sud-Est de la France, pour la mise en œuvre de certaines actions.
Après avoir subi un fort déclin en France au cours du XXème siècle, il a fallu attendre sa protection légale en 1981 pour que la Loutre d’Europe (Lutra lutra) puisse recoloniser peu à peu le territoire. Depuis 2010, elle fait l’objet d’un Plan National d’Actions qui vise à assurer sa conservation à long terme. C’est la Société Française pour l’Etude et la Protection des Mammifères (SFEPM) qui l’anime au niveau national et dans notre région c’est la Ligue de Protection des Oiseaux Provence-Alpes-Côte d’Azur (LPO PACA).
Avec son corps fuselé, la loutre est totalement adaptée à la vie semi-aquatique. Elle se nourrit essentiellement de poissons, mais sait aussi adapter son régime alimentaire en fonction de son environnement. C’est aussi une grande sportive ! Son domaine vital s’étend sur une vingtaine de kilomètres le long d’un cours d’eau.
C’est en général au crépuscule ou bien la nuit que la loutre s’active, ce qui rend son observation peu aisée. En revanche, il est plus simple de la suivre à la trace ; elle marque en effet son territoire avec ses épreintes (ses crottes). Le PNR Mont-Ventoux participe à l’effort collectif en prospectant les sites Natura 2000 de l’Aygues et de l’Ouvèze Toulourenc à la recherche de ces précieux indices.
Disparu en France dans les années 1930, le Loup gris (Canis lupus) a fait son retour naturel dans l’hexagone par un franchissement des Alpes en 1992. Cette population issue de la lignée italienne connait une expansion sur le territoire national depuis une trentaine d’année. Sur le Ventoux, c’est en 2009 que les premiers individus sont détectés. Il est aujourd’hui bien implanté avec la présence de 2 ou 3 Zones de Présence Permanente (ZPP), dans et à proximité du massif.
Le territoire du Parc du Mont-Ventoux est un secteur vauclusien où l’activité pastorale est très impactée par la présence du loup. Les conditions de pratique (climat méditerranéen, forte 
couverture forestière) rendent la surveillance et la conduite des troupeaux particulièrement complexes. Face à cela, le Parc se positionne en tant que médiateur et accompagnera résolument éleveurs et bergers. Cela passe en premier lieu par la connaissance du prédateur et sa constitution en meutes sur le territoire. Deux agents du Parc font partis du réseau de correspondant Loup-lynx de l’Office Français de la Biodiversité (OFB) et des pièges photographiques sont déployés sur le Ventoux et les Monts de Vaucluse.
En parallèle, dans l’objectif d’améliorer la cohabitation entre les usagers de la montagne, des sessions de formations sont organisées par le Parc afin de faire connaitre les bons comportements face aux chiens de protection.
Depuis plusieurs années, le Parc travaille également avec des partenaires comme l’Office National des Forêts (ONF) ou le Centre d’Etudes et de Réalisations Pastorales Alpes-Méditerranée (CERPAM) dans l’amélioration des conditions de pratiques pastorales. Ceci passe souvent par des opérations de réouverture de milieux qui favorisent la ressource herbacée et la surveillance des troupeaux.