Климат. Лето здесь очень сухое и жаркое – в отдельные годы температура достигает +40°С ( и даже +60°С). В зимние месяцы столбик термометра нередко опускается до -41°С. В это время часты сильные ветры и снежные бури. Однако в отдельные годы зима бывает абсолютно без снежного покрова. Довольно часты джуты и гололеды. Осадков мало, их среднегодовое количество достигает 120 мм.

Флора заповедника. Насчитывает 250 видов сосудистых растений из 163 родов и семейств. Основное ядро флоры (37 видов) составляют представители семейств Маревых, что характерно в целом для Турана. Из редких растений, занесенных в Красную книгу Казахстана, в заповеднике отмечены четыре вида: мягкоплодник критмолистный, катран беззубый, солянка хивинская и молочай твердобокальчатый. Чрезвычайно оригинален мягкоплодник критмолистный, реликт древнесредиземноморской субтропической саванны. Этот стелющийся кустарник с длинными ветвистыми стеблями образует огромные подушкообразные куртины. Скалы и обрывы чинков, где он обитает, очень украшает яркая зелень мощных куртин с красными шаровидными плодами – ягодами. Плоды съедобные и содержат много витамина С.

Фауна заповедника. Несмотря на суровые климатические условия животный мир заповедника удивительно богат и разнообразен. По данным различных авторов здесь обитает более 50 видов млекопитающих, в том числе такие редчайшие краснокнижные виды как медоед, барханный кот, манул и каракал. Отдельные из них находятся под угрозой исчезновения. А такие как гепард, казахстанский и туркменский подвиды кулана уже почти полвека не встречаются в дикой природе Казахстана. Посещая заповедник в различные сезоны года, можно встретить до 200 видов птиц, гнездится же их гораздо меньше – всего 52 вида. Особый интерес представляют редкие и исчезающие виды, занесённые в Красную книгу. В основном это хищники, нашедшие себе удобные места для устройства гнезд на террасах чинка, скалах оврагов и горах Карамая: беркут, степной орел, могильник, стервятник, балобан и филин. Три вида этой категории – джек, чернобрюхий рябок и саджа – предпочитают открытые пространства. Джек, или дрофа-красотка – характерный обитатель пустыни, живет в окраинной части песков Карынжарык, выбирая слабоволнистые участки, переходящие в глинисто-каменистую равнину. Численность джека на Устюрте очень низка и для её увеличения необходимо расширение территории заповедника. Пресмыкающихся в заповеднике обитает около 27 видов, в том числе 17 видов ящериц. На чинке, по скалистым склонам оврагов и в песках Карынжарык обычны гекконы и геккончики. Обычны в заповеднике и так называемые «белые муравьи» – термиты, которые кроме Устюрта и Мангышлака в Казахстане нигде больше не встречаются.

На территории Устюртского заповедника сохранилась много других примечателых объектов. Это, прежде всего, различные окаменелости – останки древних беспозвоночных (моллюсков, аммонитов и т.д.), растений и др. В районе Западного чинка и песков Карынжарык найдены неолитические стоянки человека, а вдоль действующей грунтовой дороги Кунград –Жана-Озень - Актау – старинные захоронения. Это дорога – ответвление Великого Шелкового пути, соединявшего Хиву с побережьем Каспийского моря и низовьями Волги. В заповеднике дорога проходит к колодцу Когусем.