Национальный парк «Сайлюгемский» - место обитания крупнейшей трансграничной группировки алтайского горного барана аргали (2644 особи на 2023 год). Здесь же расположены и основные места ягнения этого самого крупного в мире подвида архара.

В среднем и нижнем течении реки Аргут обитает крупнейшая группировка снежного барса, насчитывающая 30-40 особей (или четверть от всей популяции в стране). В границах национального парка на 2014 год предположительно обитает около 24 особей снежного барса.

Также эта территория - дом для одной из самых многочисленных в Алтае–Саянском экорегионе группировок сибирского горного козла козерога – основной питательной базы снежного барса. На хребте Сайлюгем обитает гнездовая группировка сокола-балобана, находящегося под угрозой истребления из-за интенсивного браконьерского отлова.

Кроме аргали из копытных здесь встречаются: благородный олень, сибирская кабарга, косуля, лось (очень редко).

Из куньих  - соболь, росомаха, горностай, ласка. 

Из хищников - волк, рысь, лисица обыкновенная, корсак.

Особо выделяется Сайлюгемская популяция бурого медведя, которая внесена в Красную книгу Республики Алтай, как сайлюгемский подвид бурого медведя. Этот медведь встречается в лишенном растительности высокогорье. Особи очень светлые, желтовато-белые со светлыми когтями, за что и называют белокоготными.

На участке «Сайлюгем» постоянно обитает манул – небольшая дикая кошка,  которая не встречается на территории других особо-охраняемых природных территориях в Республике Алтай. 

Также есть сведения о заходах из Монголии на территорию региона дзерена -  антилопы, сегодня полностью исчезнувшей в России.

На двух участках парка встречается до 146 видов птиц, 20 из них занесены в Красную книгу Российской Федерации или Республики Алтай: мохноногий курганник, орлан-белохвост, степной орел, беркут, бородач, черный гриф, белоголовый сип, балобан, сапсан, степная пустельга, алтайский улар, жемчужный вьюрок и др.

Ихтиофауна полностью отсутствует на Сайлюгемских участках, так как реки долин хребта Сайлюгем не имеют связи с рыбными водоемами. На Аргутском участке выявлены виды: тупорылый ленок (Brachymystax tumensis), сибирский хариус (Thymallus arcticus), голец  (Barbatula toni) и сибирский подкаменщик (Cottus sibiricus). Предположительно в реку Аргут заходит таймень (Hucho taimen). Тупорылый ленок или ускуч занесен в Красные книги Российской Федерации и Республики Алтай, численность его катастрофически снижается. Отдаленность водоемов обеспечила сохранность ихтиофауны, но запасы рыбы здесь невелики.

Герпетофауна редка и представлена только зеленой жабой (Bufo viridis), живородящей ящерицей (Lacerta vivipera) и степной гадюкой (Vipera ursine).