Um dos motivos, pelo qual, o Parque Nacional Serra da Capivara é tão importante é exatamente o fato de abrigar populações da maioria dos endemismos da caatinga e, pela sua extensão, possibilitar que estas populações tenham número suficiente para garantir a preservação da espécie.

As pesquisas realizadas no Parque registraram, até hoje, 33 espécies de mamíferos não-voadores, 24 de morcegos (que são os únicos mamíferos voadores), 208 espécies de aves, 19 de lagartos, 17 de serpentes e 17 de jias e sapos. Estes números não são definitivos; novas espécies são encontradas com freqüência e, alguns grupos ainda são pouco conhecidos. Além dos animais terrestres, uma única espécie de peixe (piaba) vive em uma caverna cheia de água, no Baixão da Esperança.

As pinturas rupestres mostram capivaras e, veados com chifres iguais ao do cervo-do-Pantanal, espécies que precisam de ambientes com muita água e, hoje, não mais existem 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 úmido são os macacos guariba 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.

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. É freqüente ouvir o esturro de uma onça, ecoando nos vales do Parque, principalmente à noite ou de madrugada. Desta maneira,  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 mais comum que a pintada. Devido ao porte menor esta espécie também caça roedores e outros pequenos animais, mas, no Parque, os tatus são sua presa favorita.

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

As aves são sem dúvida, o componente mais conspícuo da fauna do Parque, que abriga quase todas as espécies endêmicas da caatinga. Algumas, como a guinguirra, o cão-cão e o galo-da-campina, são comuns e têm populações numerosas no Parque. Mesmo algumas, consideradas raras ou em perigo de extinção, como o bico-virado-da-caatinga, são vistas no Parque.

Devido às grandes mudanças sofridas pela vegetação nas diferentes estações (chuvas e seca) muitas espécies de aves apresentam flutuações muito amplas em seus números, surgindo quando há disponibilidade de alimento. Entre estas estão várias espécies de papa-capim e pombas, como a avoante, que chega, aos milhares, durante o período de reprodução, elas se alimentam, principalmente, das sementes de marmeleiro, que floresce assim que chove.

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 urubú-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 endêmico da região do Parque.  Ele só foi reconhecido, pelos cientistas, como uma espécie diferente das outras, em 1990. Esta espécie apresenta dimorfismo sexual, ou seja, os machos adultos são diferentes das fêmeas, são maiores e mais robustos e, não têm, 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 come frutas, mas, também, animais menores e ovos. Ambos podem chegar a 2 m de comprimento, com uma imensa cauda!