Le Karakalpakistan abrite une biodiversité plutôt riche représentée par 498 espèces vertébrées, dont 68 mammifères, 307 oiseaux, 33 reptiles, 2 amphibiens et 49 poissons.
La faune karakalpake présente ses caractéristiques propres. Les animaux vivant dans le désert sont considérés comme les meilleurs coureurs. Les hérissons par exemple, des animaux relativement lents dans leurs déplacements, sont ici représentés par le hérisson de Brandt et le hérisson à grandes oreilles, qui révèlent des membres considérablement plus longs que les espèces européennes.
Parmi les mammifères les plus courants au Karakalpakistan figurent les écureuils terrestres à longues griffes, les gerboises, les loups, les sangliers, les renards et les lièvres. Les oiseaux sont représentés par les geais de saxaoul, les moineaux blancs et les pies. Les reptiles les plus courants sont les lézards et les boas des sables. Parmi les poissons rencontrés figurent l’amour blanc, la truite de l'Amou-Daria, la carpe, la sandre, la têtedeserpent, la carpe argentée, etc.
La région abrite sept fois plus d’espèces invertébrées que de vertébrés. Parmi les invertébrés les plus courants figurent les solifuges, les scorpions, les tarentules et les scarabées. Il est intéressant de souligner que le Karakalpakistan est connu pour sa grande variété d’espèces d’insectes – 1 392.
Au cours des dernières décennies, le nombre d’espèces animales a considérablement diminué. Soixantetrois d’entre elles sont désormais protégées selon le Livre rouge de l’Ouzbékistan (2003). Le célèbre guépard asiatique et le tigre de Touran ont été ajoutés à la liste rouge de l’Union internationale pour la Conservation de la Nature (UICN) en tant qu’espèces mammifères éteintes. Des mammifères tels que le blaireau à miel, le caracal du Turkménistan, l’onagre turkmène et le mouton de l’Oust-Ourt sont intégrés à la liste des espèces en danger critique d’extinction de l’UICN. Cette liste mentionne également plusieurs oiseaux en danger (marmaronette marbrée, grue de Sibérie, etc.) ainsi que plusieurs espèces de poissons (pseudoscaphirhynchus hermanni et kaufmanni, etc.).