Фауна заповедника очень разнообразна и не изучена в полной мере до настоящего времени. Наиболее богата орнитофауна. В составе орнитофауны 282 вида, в том числе 158 гнездящиеся. В зональных степях наиболее типичны полевой и белокрылый жаворонки, чёрный жаворонок, полевой конёк, обыкновенная каменка, стрепет, степной лунь, кречетка, журавль-красавка, степной орёл. Для увлажненных участков вблизи озерных котловин, соров и в западинах с луговой растительностью и зарослями степных кустарников типичны жёлтая трясогузка, черноголовый чекан, бормотушка, сорокопут жулан, перепел, серая куропатка, луговой лунь, большой кроншнеп. На лесных участках обитают тетерев, большой пёстрый дятел, иволга, вяхирь, обыкновенная горлица, большая синица, лазоревка белая, обыкновенная горихвостка, лесной конёк, чёрный стриж и другие. Очень широко представлен отряд хищных (28 видов), из них 18 гнездится: орлы — беркут, могильник и степной; луни — степной, луговой и болотный; соколы — балобан, чеглок, дербник, обыкновенная и степная пустельги и кобчик; орлан-белохвост, обыкновенный канюк, курганник, чёрный коршун, ястребы — перепелятник и тетеревятник.

Наурзумские озёра с древних времён служили перевалочным пунктом на пути движения многих видов птиц, зимовавших в Иране, Индии, Средней Азии, по Тургайскому перелётному пути дальше на север, к местам гнездования. В годы наполнения Наурзумские озера являются районом массового гнездования водоплавающих и водно-болотных птиц. В зависимости от состояния обводненности численность изменяется в очень больших пределах. Оптимальные условия для гнездования создаются на второй — третий год после обводнения — с образованием обширных разливов и мелководий, развитием прибрежной растительности. Наиболее многочисленны лысуха, красноголовый нырок, серая утка, шилохвость, кряква, чирок-трескунок, широконоска. Массовыми гнездящимися видами являются поганки, в основном большая и серощёкая, в меньшем числе — черношейная. Среди чаек многочисленны озёрная, серебристая, сизая и малая. Обычны на гнездовании крачки: речная, белокрылая, чёрная, а также кулики: большой кроншнеп, большой веретенник, шилоклювка, ходулочник, чибис, травник, поручейник, степная тиркушка, изредка встречаются кулик сорока, малый зуёк. Среди голенастых гнездятся серая и большая белая цапли, большая выпь, волчок. С 1974 года в годы высокого обводнения гнездятся большие бакланы. В 1981-1996 годах происходила массовая инвазия южных видов, стали гнездиться большая белая цапля, с 1981 года — кудрявые, а с 1984 года — розовые пеликаны. Редкие птицы представлены 44 видами: 36 включены в Красную книгу Казахстана, 23 — в Международную.

Из 44 видов млекопитающих, зарегистрированных в заповеднике, постоянно обитают 42 вида (один — сайга приходила в период летних кочевок до 1994 года, дважды отмечена лесная куница). Из ценных охотничье-промысловых видов обычны лось, косуля, кабан и сурок; группа хищников включает волка, лисицу, корсака, рысь, степного хоря, горностая, ласку, в лесах и близ озёр многочисленны барсуки. В степях доминирующей группой являются грызуны: степной сурок-байбак, суслик песчаник, большой суслик, малый суслик, хомяк, степная мышовка, полевки, хомячки, а также: ушастый ёж, тушканчики, заяц русак, из хищников — степной хорёк, корсак, обыкновенная лисица, волк. В лесных массивах обитают лось, сибирская косуля, рысь, обыкновенная белка, обыкновенный ёж, широко распространены заяц беляк, барсук, горностай, ласка, отмечены лесная куница и енотовидная собака. На побережьях пресных озёр многочисленны мелкие грызуны: лесная мышь, узкочерепная полёвка, полёвка-экономка, встречаются мышь-малютка, бурозубки; в годы высокого обводнения на озёрах обычны водяная полевка и ондатра. Из пустынных видов на самом юге в районе озёр Сулы и Кулаголь отмечен приаральский толстохвостый тушканчик. По числу видов млекопитающие представляют 24.7 % от всей териофауны Казахстана.

Пресмыкающиеся и земноводные представлены 6 видами: 3 вида пресмыкающихся (степная гадюка, прыткая ящерица и разноцветная ящурка) и 3 вида земноводных (остромордая лягушка, чесночница и зелёная жаба).

Фауна рыб включает 10 видов. Наиболее распространенными и многочисленными являются хорошо приспособленные к циклическим колебаниям обводненности озёр золотой и серебряный караси, в некоторых озёрах встречается озерный гольян. В реках обитают также линь, окунь, щука, плотва. В годы высокой обводненности эти виды попадают и в озера. Последние 20 лет во многих водоемах района, в том числе созданных на водотоках, интродуцировались сазан, елец и пелядь, которые отмечались в озёрах заповедника после больших паводков.