Для животных национальный парк «Алтын-Эмель» является уникальной природной территорией. Парк занимает промежуточное географическое положение между жаркой Средней Азией и холодной Сибирью и является 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. Несмотря на относительно небольшую площадь (около 0,5 млн. га), в национальном парке представлены практически все основные биотопы, характерные для большей части Казахстана – это огромные пространства глинисто-щебнистой пустыни с гамадами, пески с саксаульниками и туранговниками, степные участки, горные лиственные и еловые леса, альпийские луга, поймы рек и озер с тростниковыми зарослями. Поэтому фауна парка характеризуется богатым разнообразием и эндемизмом, большинство видов животных не только широко распространены, но и многочисленны. Всего в парке обитает 393 вида животных.
Млекопитающие парка представлены 80 видами – это около половины (43,5%) всех видов млекопитающих Казахстана. Насекомоядные составляют 6 видов, рукокрылые – 12, хищные – 20, копытные – 8, грызуны – 36 и зайцеобразные – 2 вида. 13 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-шаньский горный баран – архар, бухарский олень, азиатская широкоушка, тянь-шаньский бурый медведь, туркестанская рысь, снежный барс, лошадь Пржевальского. 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 ХХ 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 в 3000 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 (около 4000 особей). С 2003 года в национальном парке проводится масштабная работа по возрождению в природе другого уникального животного – лошади Пржевальского, исчезнувшей в Казахстане в XVIII веке. В конце 2006 года в пойму реки Или для восстановления численности был выпущен бухарский олень – крайне редкое животное, которого осталось всего несколько сотен голов в мире.
Фауна птиц включает 260 видов (это более половины всей фауны птиц Казахстана – 49,4%), в том числе 148 видов постоянно гнездится в парке. Особенно широко представлены и многочисленны хищные и водоплавающие птицы, поскольку в парке обитает большое количество копытных животных и имеются крупные водоемы – река Или и Капшагайское водохранилище. 18 видов птиц национального парка являются редкими, исчезающими и внесены в Красную книгу Международного союза охраны природы (МСОП) или в Красную книгу Республики Казахстан – черный аист, кудрявый и розовый пеликаны, лебедь-кликун, савка, змееяд, степной орел, могильник, беркут, орлан-белохвост, бородач, стервятник, балобан, журавль-красавка, джек, чернобрюхий рябок и саджа. Это составляет около 32% от всех «краснокнижных» птиц республики.
Во время весенних и осенних миграций на реке Или и Капшагайском водохранилище для выведения потомства скапливается большое количество пролетных водоплавающих птиц. Некоторые из других видов встречаются на территории национального парка лишь весной и осенью. Они задерживаются здесь на короткое время в поисках корма и временных убежищ или же преодолевают эту местность транзитом. Несколько видов птиц – кеклик, семиреченский фазан и часть водоплавающих птиц (гуси, утки) – имеют охотничье-промысловое значение.
Пресмыкающиеся парка многочисленны и включают 24 вида, из них: 8 видов змей, 15 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.
Ихтиофауна Капчагайского водохранилища и р. Или включает 26 видов. Наиболее многочисленны лещ, судак, сом, жерех, белый толстолобик, сазан и белый амур. В Красную книгу Казахстана занесены илийская маринка и балхашский окунь. Ценным видом является аральский шип, редко встречающийся в реке Или в границах национального парка.
Энтомофауна национального парка, по последним данным, насчитывает около 2000 насекомых и иных беспозвоночных, однако это еще не полные данные. Большинство насекомых национального парка включены в международную и республиканскую Красные книги, и нередко ученые-энтомологи открывают в регионе 1-2 неизвестных вида.