За последние 100 лет состав фауны заповедника значительно изменился. В горах были полностью уничтожены снежные барсы и тянь-шаньские бурые медведи, а косули, кабаны и зайцы-толай стали редкими гостями. Сегодня основными охраняемыми видами являются каратауский архар, индийский дикобраз и каменная куница. Горные пещеры Каратау приютили несколько видов летучих мышей.

В Каратауском заповеднике живет 118 видов пернатых. Здесь можно встретить белого и черных аистов, стервятников, змееядов, орлов-карликов, балабанов, степных орлов, беркутов, бородачей, журавлей-красавок, дроф-красоток и филинов. Примечательно, что многие из гнездящихся птиц остаются в заповеднике на зимовку. В реках, стекающих с юго-западных отрогов хребта, обитает рыба маринка.