В период с 1981 по 1985 годы были проведены комплексные исследования, направленные на разработку научного обоснования создания заповедника. В 2004 году в центральной части Сырдарьинского Каратау организовался новый заповедник, первоначальной целью которого являлось сохранение и восстановление редкой и исчезающей популяции эндемика, занесенного в Международную Красную книгу-  каратауского архара и мест локального произрастания узкоэндемичных видов растений.
Каратауский государственный природный заповедник создан с целью сохранения популяции каратауского архара и мест локального произрастания узкоэндемичных видов растений в центральной части Сырдарьинского Каратау.

Растительный мир

Каратауский заповедник обладает чрезвычайно богатой флорой. На горных уступах и в долинах встречается 1600 видов растений, и почти четверть из них относится к редким видам. По числу эндемиков природоохранная территория не имеет равных в республике. В Красную книгу внесено 42 вида растений. Здесь можно увидеть полукустарник тау-сагыз, обнаруженный учеными лишь в 1929 году. Кроме того, на Каратау охраняются популяции редчайших видов – лука турчинского, песчанки, прангоса, синеголовика и дикорастущих тюльпанов.

Животный мир

За последние 100 лет состав фауны Каратауского заповедника значительно изменился. В горах были полностью уничтожены снежные барсы и тянь-шаньские бурые медведи, а косули, кабаны и зайцы-толай стали редкими гостями. Сегодня основными охраняемыми видами являются каратауский архар, индийский дикобраз и каменная куница. Горные пещеры Каратау приютили несколько видов летучих мышей.

В Каратауском заповеднике живет 118 видов пернатых. Здесь можно встретить белого и черного аистов, стервятников, змееядов, орлов-карликов, балобанов, степных орлов, беркутов, бородачей, журавлей-красавок, дроф-красоток и филинов. Примечательно, что многие из гнездящихся птиц остаются в заповеднике на зимовку. В реках, стекающих с юго-западных отрогов хребта, обитает рыба маринка.