Amazônica e mesmo o Cerrado, possui um número reduzido de espécies. Isto se deve às características do clima, que excluem espécies animais incapazes de resistir às secas e à própria estrutura do ambiente, que apresenta uma complexidade menor que, por exemplo, uma floresta tropical.

Um dos motivos pelos quais o Parque Nacional Serra da Capivara é tão importante é exatamente o fato de abrigar populações da maioria dos endêmismos da caatinga, e pela sua extensão possibilitar que estas populações tenham número suficiente para que sobrevivam.

Até hoje as pesquisas realizadas no Parque resultaram no registro de 33 espécies de mamíferos não-voadores, 24 morcegos (que são os únicos mamíferos voadores e não têm nada a ver com os ratos), 208 espécies de aves, 19 de lagartos, 17 de serpentes e 17 de gias e sapos. Estes números não são definitivos pois novas espécies são encontradas com freqüência e alguns grupos ainda são conhecidos muito superficialmente. Além dos animais terrestres, uma única espécie de peixe (uma piaba) habita uma caverna cheia de água em um boqueirão no Baixão da Esperança.

Estes peixes, assim como os jacarés que vivem em lagoas e açudes na região ao redor do Parque, são sobreviventes de um período mais úmido quando os rios corriam durante todo o ano e a vegetação era mais exuberante.

As pinturas rupestres mostram capivaras e veados com chifres iguais ao do Cervo-do-Pantanal, ambas espécies que precisam de ambientes com muita água e hoje extintas na região. Ao contrário dos jacarés e dos peixes, estes animais não conseguiram sobreviver à mudança em seu ambiente quando o clima começou a se tornar mais seco, ao redor de 6.000 anos atrás. Outros sobreviventes deste período são os macacos Guaribas e as Pacas que vivem nos boqueirões do parque, transformados em ilhas de floresta em meio à caatinga árida e onde estas espécies, tipicamente florestais, estão isoladas.

Entre os mamíferos encontrados no Parque destaca-se o único endêmico da caatinga, o Mocó. Este roedor vive sempre associado às rochas, em lajedos, serrotes e boqueirões, já que utiliza as fendas como abrigo contra o calor e contra os predadores. Outro roedor que compartilha este ambiente é o rato-rabudo, que pode ser bastante comum em alguns lugares. Ao contrário de roedores como os ratos encontrados nas casas, tanto o mocó como o rato-rabudo produzem poucos filhotes (geralmente dois-três) em cada cria, e estes nascem com pêlos e olhos abertos, sendo capazes de acompanhar a mãe desde muito cedo.

Mocós e ratos-rabudos são o alimento de uma série de predadores, como os gatos macambira e vermelho, as raposas, os gaviões maiores como o gavião pé-de-serra, e o curajão ou jacurutu. Na realidade a sobrevivência de alguns destes animais parece depender da existência de populações grandes de suas presas. Por exemplo, o jacurutu praticamente desapareceu do Parque no início dos anos 90, pois os mocós diminuiram muito em número naquele período.

O maior animal predador de toda a região do Parque é a Onça-pintada, que pode ultrapassar os 50 kg e se alimenta de praticamente qualquer outro animal que possa capturar. No Parque as Onças-pintadas se alimentam freqüentemente de tamanduás mixila e tatus, que são os animais de maior porte mais comuns na região. Às vezes é possível ouvir o esturro de uma onça ecoando nos boqueirões do Parque, principalmente à noite ou de madrugada. Esta é uma forma pela qual estes animais, geralmente solitários, mantém contato entre si e atraem seus companheiros durante a época da reprodução.

Outro grande predador é a Onça-vermelha ou Suçuarana, menor e um pouco mais comum que a pintada. Devido ao porte menor esta espécie também caça roedores e outros pequenos animais, mas no Parque os tatus são uma presa favorita. Infelizmente, a população de Onças-pintadas do Parque é uma das últimas que ainda sobrevivem na caatinga do nordeste brasileiro, estando reduzida a alguns indivíduos. A caça de caititus, queixadas, tatus e veados pelas pessoas fez com que na maioria dos lugares não haja mais alimento para as onças.

Entre os Primatas, além dos guaribas, existem macacos prego e sagüis no Parque Nacional.

Os tatus são um grupo tipicamente americano, existindo apenas neste continente, da Patagônia até o sul dos Estados Unidos. Cinco espécies foram registradas na região do Parque : tatu-peba, tatu verdadeiro, tatu-bola, tatu-china e o tatu-canastra, este provalmente extinto.

As aves são sem dúvida, o componente mais conspícuo da fauna do Parque, que abriga quase todas as espécies consideradas endêmicas da caatinga. Algumas, como a Guinguira, o Cão-cão e o Galo-da-campina, são localmente comuns e tem populações numerosas no Parque. Mesmo algumas consideradas raras ou em perigo de extinção, como o Bico-virado-da-caatinga, são razoavelmente comuns no Parque.

Devido as grandes mudanças sofridas pela vegetação nas diferentes estações do ano (inverno e verão) muitas espécies de aves apresentam flutuações muito amplas em seus números, surgindo quando há disponibilidade de alimento. Entre estas estão várias espécies de papa-capins e pombas, como a Avoante, que surge aos milhares durante o período de reprodução, o qual por sua vez depende da produção de sementes pelo marmeleiro, após as chuvas.

Outras aves executam deslocamentos maiores. Na Serra Branca é, às vezes, possível observar o Gavião-papa-gafanhoto, que passa pelo Piauí quando migra dos Estados Unidos, fugindo do inverno frio de lá, para a Argentina, que neste período está em pleno verão. Nos açudes e rios também é possível encontrar maçaricos e batuíras que ali param para descansar. Estas aves, chamadas de migratórias, fazem seus ninhos na região norte do Canadá e Estados Unidos, onde o verão é curto e neva no inverno. Quando os filhotes podem voar as aves vem para a América do Sul, voando mais de 10.000 km em menos de um mês. Quando começa a fazer frio aqui, elas retornam para a América do Norte, onde então já é verão.

Entre as aves migratórias são notáveis as Andorinhas que utilizam os paredões da cuesta e dos canyons internos para se aninhar. Suas revoadas são um espetáculo único.

Andando pelo Parque é possível encontrar bandos com várias espécies de aves como Chocas, Papa-formigas e Corruíras procurando alimento juntas. Estas associações são consideradas uma forma de facilitar o encontro dos insetos que as aves comem (uma apanha o que a outra espanta) e de defesa contra gaviões, já que há mais olhos atentos aos predadores.

O Parque Nacional abriga várias espécies de aves consideradas ameaçadas de extinção no nordeste do Brasil, como o Urubu-rei, a Arara-vermelha, o Pintassilgo e a Maracanã, e outras cuja situação inspira cuidados por estarem em processo de redução populacional e destruição de seu ambiente, como o Balança-rabo-da-caatinga, a Zabelê e o Jacu-guaçu, todos endêmicos do nordeste do Brasil.

Raríssima é a aguia-chilena, que pode ser vista em alguns dos boqueirões do Parque Nacional ou voando muito alto na borda da chapada.

Ao visitar os sítios arqueológicos é impossível não encontrar um lagarto com costas vermelhas correndo pelas pedras. Provavelmente é o animal mais comum do Parque. Este lagarto só existe na Serra da Capivara e nos serrotes mais próximos, sendo endêmica da região do Parque. Por incrível que pareça este tipo de lagarto só foi reconhecido pelos cientistas como uma espécie diferente das outras, que não tem as costas vermelhas, em 1990. Esta espécie apresenta dimorfismo sexual, ou seja, os machos adultos são diferentes das fêmeas, são maiores e mais robustos, e não apresentam a cor vermelha nas costas.

Os maiores lagartos da região são o Camaleão ou Iguana, que se alimenta de folhas e frutos, e o Teju, que embora coma frutas é um predador que come animais menores e ovos. Ambos podem chegar a 2 m de comprimento, a maioria representada pela cauda.

Ao contrário dos lagartos, que tem seus representantes vegetarianos, todas as serpentes são carnívoras, caçando outros animais.

As espécies maiores como a Jibóia, a Caninana e a Cascavel comem roedores, como o Rato-rabudo, e aves. É possível encontrar a Jibóia na emboscada no alto de uma árvore esperando uma avoante. As espécies menores, como a Bicuda e a Cobra-cipó caçam lagartixas, gias e mesmo insetos e lacraias. Algumas espécies, como as jararacas, mudam de preferência conforme crescem. Quando pequenas comem lagartos, enquanto que as adultas preferem ratos.