荒漠中动物区系比较贫乏，但脊椎动物、无脊椎动物均有。如中亚卡拉库姆、列别切克保护区内，脊椎动物有200种，其中哺乳类29种，爬行类23种，鸟类超过140种，无脊椎动物超过1000种。

在荒漠生态条件中，对动物的主要限制因子也是极端干旱和高温。因此，动物要具备抗旱的能力，要能保持水分收支平衡。而高温更使得动物要具备防止水分丢失的适应能力。首先是耐旱动物。它们不饮水，只靠所采食的植物体或种子所含水分而生存，如鼠类、蜥蜴、蚁类等。它们有节水的生理机制。如沙鼠能浓缩尿，尿的含盐最可高达23%，粪便极干燥。其次是抗旱动物，它们能够一次饮水（甚至饮含盐量 0.1%左右的咸水）后忍耐3～5天以至 7天不饮水而正常生活。它们一方面具有长途跋涉（如骆驼）和奔跑（如羚羊类）的能力，并靠灵敏的嗅觉闻到远处水源飘来的水汽而去寻找水源。另一方面它们具有储藏和节约水分消耗的能力。如骆驼能在驼峰内储存大量脂肪，在缺水时分解脂肪可得到水分。同时它们的鼻腔孔道曲折而长，呼吸出来的水汽能凝结成水再被吸收。再一类是躲旱动物，它们在白天高温时躲在荫蔽处或洞穴中，不活动，尽量减少水分消耗，夜晚出来啃食多汁植物或捕食其他动物而获得水分。这主要是许多昆虫、蛇类、蜥蜴类、荒漠猫头鹰和许多肉食动物。其中蛇类还能用皮肤吸收夜间空气中的水汽以补充水分。荒漠中太阳辐射强，夏季白天气温高。所以许多哺乳动物、鸟类、爬行类均是浅色，以利于反射阳光，少吸收热量。最突出的是西南亚、非洲的羚，在夏季毛色变成白色，有助于反射阳光。荒漠动物有自动调节种群密度的能力。如荒漠云雀经常保持4～7平方公里只有一对。在荒漠中，昆虫常是食物链中的初级消费者。首先是啃食植物的昆虫，在亚洲中部、中亚到撒哈拉主要是蝗虫。北美荒漠的昆虫主要是甲虫，有时达到每公顷3000个。而蚁类、蜂类在各大洲荒漠中均有。在高温的地中海型生物气候下尚有蜘蛛、蜈蚣等，甚至许多是有毒的。蜥蜴也有以植物为食的，如北非的Uromastyx aegypteus。靠采食植物的种子和嫩枝叶而生存的鸟类较多。亚洲中部有沙鸡，西南亚、南非有沙松鸡等等。哺乳类植食动物在各大洲荒漠中比较普遍的是啮齿动物。兔在各大洲荒漠中均有。鼠类种类多而普遍。大型食草哺乳动物出现在亚洲中部到南非的荒漠中。亚洲中部到西南亚有野驴、野山羊的几个种。羚羊种属较多。中国新疆荒漠中还有普氏野马、野双峰驼。从亚洲中部、中亚、西南亚到撒哈拉，荒漠中放牧着山羊、骆驼、绵羊，消耗着大量的绿色植物。荒漠生态系统中的次级消费者是食虫动物和其他肉食动物。食虫的爬行类有蛇和蜥蜴。鸟类种类很多，如亚洲荒漠中的乌鸦、北非的鸵鸟、澳大利亚的鸸鹋、北美的渡鸟等等。肉食爬行类以蛇类为主，且多毒蛇，主要出现在高温荒漠气候下。伊拉克的黄巨蜥为肉食性。肉食猛禽不多，但亚洲荒漠中有荒漠猫头鹰。肉食哺乳动物在亚洲荒漠中有狐狸、狼、山猫等。猛禽则有西南亚的亚洲狮和北非的豹。尤其特别的是在南非荒漠中还有专吃蜥蜴的Suricata suricata和专吃毒蛇的獴。