A medence viszonylagos elszigeteltsége miatt különösen sok az őshonos állatfaj. A mongóliai védett területeken összesen 41 emlős-, a tuvai oldalon 22 ritka helyi emlősfaj ismeretes, utóbbiak közül a hópárduc (Uncia uncia) és az erdős-sztyepp ritka ragadozója, az ázsiai vadkutya (Cuon alpinus Pallas) a világ Vörös Könyvében is szerepel. Ritkán mutatkozik egy másik ragadozó, a pusztai macska (manul) is. A magashegyek lakója a szibériai kőszáli kecske.

A hegyes-erdős-tundrás régiókban a már említett ritka fajok mellett gyakori a farkas, a vaddisznó, a szibériai őz, a maral-és a jávorszarvas, ritkán mutatkozik a szibériai pézsmaszarvas, sok a kisragadozó, például rozsomák, nyuszt.

A medence alacsonyabban fekvő részének nagy része sztyepp és félsivatag. Lakói többek között a mongol gazella (dzer) és a tigrisgörény; a hüllők közül többféle sivatagi gyík, illetve a keresztes vipera; de főként rágcsálófélék: szürke mormota(Marmota baibacina) és mongóliai változata, a tarbagán (Marmota sibirica), ürgék, ugróegerek, például a sivatagi ugróegér; valamint a madárvilág sok képviselője, így a mongol pacsirta, a galléros túzok vagy a pártás daru.

A 12 természetvédelmi területen összesen 359 madárfajt számoltak össze, a mongóliai oldalon 173-at, Tuvában 81 ritka vagy veszélyeztetett fajt regisztráltak. Néhány, nemzetközileg is fontos itteni madárfaj: altáji királyfogoly, borzas gödény,kékcsőrű- és cifra réce, amuri-, kámzsás- és hódaru, fehérkarmú vércse, fehérfarkú- és szalagos rétisas, parlagi- ésfekete sas, szakállas saskeselyű. Az Uvsz-tó partjain vadlúdak, vadkacsák, récék, kárókatonák, gémek, sirályok csapatai tanyáznak.