Животный мир заповедника очень богат. При посещении заповедника в первую очередь обращаешь внимание на ярких дневных бабочек, которых здесь обитает не менее 135 видов. Фауна позвоночных включает 230 видов, в том числе: 3 вида рыб, 2 – земноводных, 6 – пресмыкающихся, 177 – птиц и 39 – млекопитающих.
   
Из пресмыкающихся обычны ящерица – алайский гологлаз и ядовитая змея – щитомордник, которые встречаются вплоть до альпийского пояса. Узорчатый полоз обитает в нижней и среднегорной зонах. 
   
У бурных рек и ручьёв гнездится синяя птица, обыкновенная и бурая оляпки. Больше всего птиц гнездится в лесных биотопах. Вяхирь, сплюшка, пёстрый дятел, чернолобый сорокопут предпочитают лиственные леса. В скалах елового пояса гнездятся бородач и шахин. Скалы альпийского пояса населяет кумай, сизый и скалистый голуби, клушица и альпийская галка. Из птиц, занесённых в Красную книгу Казахстана, в заповеднике гнездятся беркут, бородач, кумай, шахин, филин, серпоклюв и синяя птица. Чёрный аист и орёл-карлик иногда встречаются летом. 
   
Сложный горный рельеф, исключительная пестрота микроклимата и растительного покрова влияют и на распределение млекопитающих. Среди крупнокаменистых осыпей вдоль рек и ручьёв живёт каменная куница. Основная её добыча – мышевидные грызуны, но осенью в её рационе нередки плоды рябины, боярышника, яблони. В лесном поясе обитают более десяти видов зверей. Барсук устраивает норы под кустарниками и деревьями. Весной он питается преимущественно жуками, которых поедает в огромном количестве, летом переходит на растительную пищу – ягоды и плоды. Нередко разоряет птичьи гнёзда, поедая их содержимое. Косуля чаще всего встречается в нижней и средней части гор, а марал, наоборот, – у верхней границы ельников и в арчовниках субальпийского пояса. Медведь держится в ельниках и на субальпийских лугах, но осенью спускается вниз и питается преимущественно дикими яблоками. В середине прошлого века в еловых лесах была акклиматизирована белка-телеутка, которая в настоящее время стала обычным видом. На северных склонах лесного пояса встречается рысь, основная добыча которой – косули, зайцы-толаи, тетерева и другие виды зверей и птиц. В субальпийском и альпийском поясах нередки колонии серых сурков. Многочисленны горные козлы – типичные обитатели высокогорий. Летом они держатся у самой кромки снежников и ледников среди каменных россыпей, зимой спускаются в лесной пояс, где придерживаются южных малоснежных склонов. Вслед за ними спускаются снежные барсы, которые в основном охотятся на этих копытных.