Национальный парк «Алтын-Эмель» уникальная природная территория. Парк занимает промежуточное географическое положение между жаркой Средней и холодной Сибирью и является неким связующим звеном между ними. Поэтому здесь одновременно обитают как южные, так и северные виды животных, у некоторых из них по территории национального парка проходит граница ареалов.

Млекопитающие парка представлены 70 видами - это около половины (43,5%) всех видов млекопитающих Казахстана. Насекомоядные составляют 6 видов, рукокрылые – 11, хищные – 16, копытные – 9, грызуны – 26 и зайцеобразные – 2 вида. 12 видов животных являются редкими, исчезающими и внесены в Красную книгу Международного Союза охраны природы (МСОП) или в Красную книгу Республики Казахстан – это каменная куница, перевязка, среднеазиатская речная выдра, манул, туркменский кулан, джейран, тянь-шанский горный баран - архар, азиатская широкоушка, тянь-шанский бурый медведь, туркестанская рысь, снежный барс, лошадь Пржевальского. Таким образом, в национальном парке обитают около 30% редких и исчезающих млекопитающих Казахстана. 6 видов млекопитающих национального парка имеют охотничье-промысловое значение - волк, лисица, барсук, кабан, сибирский горный козел и сибирская косуля.

Значение национального парка в деле сохранения редких и исчезающих видов очень велико. В начале 80-х годов XIX века еще до создания национального парка в целях сохранения популяции и разведения сюда был завезен туркменский кулан. Сейчас в национальном парке обитает самая крупная в Казахстане популяция свыше 3500 особей и стада этих животных можно видеть во время экскурсий на близком расстоянии. Здесь же на открытых пустынных пространствах обитает самая крупная в Казахстане популяция другого исчезающего вида – джейрана (зимняя численность свыше 5000 особей). С 2003 года в национальном парке проводится работа по возрождению в природе другого уникального животного - лошади Пржевальского, исчезнувшей в Казахстане в XVIII веке.

Фауна птиц включает 262 видов, это более половины всей фауны птиц Казахстана, в том числе 148 видов птиц гнездятся здесь постоянно. По оценкам некоторых исследователей птиц в ГНПП больше 300 видов. Особенно широко представлены и многочисленны хищные и водоплавающие птицы, поскольку в парке обитает большое количество копытных животных и имеются крупные водоемы, как река Иле и Капшагайское водохранилище. 30 видов птиц национального парка являются редкими, исчезающими и внесены в Красную книгу Республики Казахстан, а некоторые – в Красную книгу Международного Союза охраны природы (МСОП). В том числе, черный аист, кудрявый и розовый пеликаны, лебедь-кликун, савка, змееяд, степной орел, могильник, беркут, орлан-белохвост, бородач, стервятник, балобан, журавль-красавка, 3 вида дроф, чернобрюхий рябок, саджа и другие. Это составляет около 32% от всех «краснокнижных» птиц республики.

Пресмыкающиеся парка многочисленны и включают 25 вида, из них: 8 видов змей, 16 видов ящериц и 1 вид черепахи. 2 вида змей – гадюка и щитомордник являются ядовитыми. Один вид ящериц - пестрая круглоголовка занесен в Красную книгу Казахстана.

Земноводные на территории парка представлены 4 видами: зеленая и данатинская жаба (жаба Певцова), озерная и центральноазиатская лягушки, из которых 2 вида (данатинская жаба и центральноазиатская лягушка) занесены в Красную книгу Казахстана.