Na região do Parque Nacional, os refúgios faunísticos são os enclaves de mata semi-decídua dos vales úmidos, essenciais para a fauna durante a seca. Sua conservação é essencial para a proteção da fauna, visando conservar populações, principalmente de mamíferos e aves maiores, e outros animais mais vulneráveis à ação humana.

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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 frequência, 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.

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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.

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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 os mocós que vivem nos boqueirões do parque, transformados em ilhas de floresta em meio à caatinga árida e onde estas espécies, tipicamente florestais, estão isoladas.