可可西里能够入选世界自然遗产的一个重要因素，就是因为这里有着特殊的生态系统，特别是拥有众多适应高原环境的珍稀野生动物。这里平均海拔在4000米以上，空气稀薄，氧气含量不足平原地区的一半，气候条件极其恶劣，但是，许多高原物种利用其得天独厚的身体条件和生存技巧，把这片被称为“生命的禁区”的地方变成了它们繁衍生息的乐园。
在可可西里的“明星”动物中，藏羚羊毫无悬念地位居榜首。
藏羚羊对高原的适应首先表现在它肿胀而略微隆起的鼻子上。它的鼻腔宽阔，鼻孔较大，每个鼻孔内还有一个小气囊，可以帮助呼吸。有了这些特殊的结构，藏羚就能以80千米的时速在空气稀薄的高原上奔跑，让那些以善跑著称的狼也对它们望而兴叹。可可西里的卓奶湖、太阳湖等湖泊盆地为藏羚羊提供了理想的产犊地。
每年初夏都有成千上万头怀孕的雌藏羚羊从位于西面的羌塘、北面的阿尔金山和东面的三江源的越冬地长途迁徙数百千米，来到这个安全而隐秘的地方繁衍后代，夏末再带着新出生的幼仔踏上漫漫的回程。
体型硕大而粗重的野牦牛无疑是可可西里“重量级”的动物“明星”。它的体毛长而丰厚，如同披上蓑衣一般，适宜遮风挡雨、爬冰卧雪。适应高原生活的独特结构还包括它的14对肋骨，别看只比其他牛类多一对，但这样就使得它的胸腔更为宽大，可以容纳更大的肺和心脏。它的气管粗短，软骨环间的距离大，能够进行频速呼吸，因此可以适应海拔高、气压低、含氧量少的高原大气条件。
相比于藏羚羊，藏原羚才是正宗的羚羊类成员，而藏羚羊其实在分类学上属于羊类。藏原羚是罕见的高原羚羊，可以到达海拔5000米以上的高处。它们的体毛为灰褐色，腹部为白色，在阳光的强烈照射下很接近沙土的黄色，因而又有“藏黄羊”之称。藏原羚的臀部有一个纯白色的大块斑，在太阳的照射下闪闪发光，就像是挂着一面镜子，所以又被叫作“镜面羊”。
与前面所述的那些偶蹄目的“明星”不同，在可可西里广袤的高原上生活的唯一一种奇蹄目动物——藏野驴并不依靠长长的绒毛来御寒。而且，它的毛色还具有相当艳丽的色彩，尤其是在夏季。藏野驴极为耐寒，不惧风雪，不怕日晒，也较为耐渴，可以几天不喝水。藏野驴还是高原上的“长跑健将”，能一口气跑上40～50千米，最高时速可达64千米。
它们尤其喜欢和汽车赛跑，超越汽车之后会突然停住，回头向汽车摆出一副胜利者的姿态，令人忍俊不禁。
这种没有尾巴，身材浑圆像个毛球一样的小动物对高原环境有很多特殊的适应方式，被认为是高原生态系统的关键物种。它们最大的本领就是挖洞，洞穴分叉蜿蜒，十分复杂，洞口有五六个之多。
有趣的是，高原鼠兔的洞穴还能被许多地栖性的鸟类所用，以躲避捕食者和恶劣的天气，其中白腰雪雀、棕颈雪雀等小鸟还能在高原鼠兔的洞穴中营巢，形成了奇特的“鸟鼠同穴”现象。高原鼠兔和与它栖息在同一环境中的小动物建立起的互惠机制，对维持高寒草甸生态系统的稳定性有着十分重要的作用。
生活在可可西里的棕熊属于青藏亚种，是进一步适应高原寒冷气候而分化形成的。还有很多学者认为它是一个与棕熊亲缘关系较近的独立种，所以又称其为藏棕熊。它的体型是棕熊中最小的，身高只有1.3米左右，体色也比其他熊类“花哨”，被认为是最美丽的熊类。
由高耸的格拉丹东冰峰流下的融水创造出数不清的网状河，又汇聚成沱沱河、孕尔曲和楚玛尔河等较大的河流和各色各样的湖泊所组成的湿地生态系统，从而为我国特有珍稀鹤类——黑颈鹤的繁殖提供了理想的栖息地。在现今世界上生存的15种鹤中，黑颈鹤是最后被发现的一种，也是唯一生活在高原上的鹤类。
胡兀鹫因其嘴角下生有一小簇黑黝黝、形如胡须的刚毛而得名。它体型巨大，翼展可达3米。它的头部和颈部不像其他鹫类那样裸露，而具有锈白色的完整羽毛，眼睛周围有一圈又黑又长的眉状斑纹，好像戴了一副眼镜。由于它嗜食腐肉，所以长有铁钩的脚有所退化，但高而侧扁的嘴反而变得格外强大，先端钩曲成90º，像钢钳一样。
青海沙蜥是可可西里唯一的爬行动物。
它身材较小，体表布满了深浅不一的斑点和斑纹，而且在头顶的两眼之间还生有一个小白点，称为“顶眼”。青海沙蜥具有异型染色体，是我国沙蜥属中唯一出现性染色体分化的物种，这说明青海沙蜥是一种较为特化的蜥蜴，它的演化过程与青藏高原的隆升密切相关。为了适应高海拔地区气候和环境，青海沙蜥采用独特的生殖对策：卵胎生的方式为胚胎提供适宜的发育热环境，每年只产一窝并提高每窝卵的数量，同时延迟幼体的成熟期。
可可西里发育有为数众多的内外流水体，构成了极为复杂的水系格局和高原上最壮观的湖泊集群。特殊的地质条件和高寒气候也对生活在此的鱼类产生了显著的影响，表现出明显的区域性。高原鱼类之“星”当属刺突高原鳅。它是适应于青藏高原高寒环境的一个特殊物种，体长在30厘米以内，身体延长，体表无鳞，眼睛较小。有趣的是，雄性具有第二性征，在繁殖季节尤为明显，通常吻部侧方和胸鳍背面长有增厚肉垫或隆起的小刺突，并因此得名。