In Karakalpakstan gibt es eine ziemlich große Artenvielfalt, vertreten durch 498 Wirbeltiere: 68 Säugetiere, 307 Vogelarten, 33 Reptilien, zwei Amphibien und 49 Fischarten.
Die Fauna von Karakalpakstan ist besonders. Wüstenbewohner gelten als ausgezeichnete Läufer. Beispielsweise sind Igel, eigentlich nicht für ihre Schnelligkeit bekannt, durch die zwei Unterarten der Langohrenigel und Brandt-Igel vertreten, welche über bedeutend längere Gliedmaßen als ihre europäischen Verwandten verfügen.
Die am weitesten verbreiteten Säugetiere in Karakalpakstan umfassen Zieselmäuse, Springmäuse, Wölfe, Wildschweine, Füchse und Hasen. An Vögeln finden sich Saxaulhäher, Wüstensperlinge und Elstern. Häufig vorkommende Reptilien sind Eidechsen und Sandboas. Fischarten sind unter anderem Graskarpfen, Amudarja-Forellen, Karpfen, Zander, Schlangenkopffische und Silberkarpfen.
Die Anzahl der wirbellosen Tiere ist siebenmal größer als die der Wirbeltiere. Die häufigsten wirbellosen Tiere sind Walzenspinnen, Skorpione, Taranteln und Käfer. Wissenswert ist auch, dass Karakalpakstan für seine breite Vielfalt an Insekten bekannt ist – 1.392 Arten.
In den letzten Jahrzehnten hat sich die Anzahl der Tierarten stark verringert. 63 Arten werden im Rotbuch Usbekistans (2003) als gefährdet eingestuft. Der berühmte Asiatische Gepard und der Turan-Tiger sind in der Roten Liste der Internationale Union zur Bewahrung der Natur und natürlicher Ressourcen (IUCN) als ausgestorben angeführt. Säugetiere wie der Honigdachs, der Turkmenische Karakal, der Turkmenische Onager (Wildesel) und das Ustjurt-Schaf stehen auf der IUNC-Liste für stark gefährdete Arten. Die IUNC-Liste schließt auch einige besonders gefährdete Vogelarten (Marmelente, Asiatischer Weißkranich und andere) sowie verschiedene Fischarten (Großer und Kleiner Amudarja-Schaufelstör und andere) ein.