Santa Cruz pertenece a la región zoogeográfica más pobre de la Argentina. La fauna está representada por el puma, zorro colorado y gris, huemul, guanaco, choique o ñandú petizo. Su nutrida avifauna la componen el cóndor, el águila mora, cisne de cuello negro, picaflor de cabeza grande, carpintero patagónico y diversas variedades de pato. En las costas, abundan los pingüinos de varias especies, siendo el característico el pingüino de Magallanes. El Mar Argentino está poblado de moluscos, peces y crustáceos. También pueden encontrarse lobos marinos de uno y dos pelos y en el mar abierto ballenas, delfines y toninas.
En la meseta abundan la liebre patagónica o mara, el puma, el gato montés, el zorro, el zorrino y el gato de los pajonales.
En la zona cordillerana todavía existen tropillas de guanacos y algunos huemules.
Hay una gran variedad de aves: desde avestruces petisos o choiques, hasta pájaros como jilgueros y chingolos.
Entre las aves rapaces figuran águilas, aguiluchos rojos, halcones de vientre blanco, gavilanes, lechuzas, búhos y cóndores
En la región costera abundan los lobos marinos de uno y dos pelos.
Entre las especies de aves marinas se cuentan pingüinos, albatros, petreles, cormoranes y gaviotas.
Los peces más comunes son la trucha criolla, el pejerrey, el puye, el salmón y la lamprea del sur.
En la región se observa un alto número de roedores, murciélagos y unas veinte especies de arácnidos. Entre los reptiles, se encuentran lagartijas y lagartos.
La ría Deseado constituye una reserva natural de envergadura, única en la costa Patagónica y Argentina. En ella es posible registrar al menos 34 especies de aves marinas y costeras que pueden ser observadas nidificando o utilizando como área de paso a la Ría Deseado, también se registran apostaderos de lobos marinos de un pelo (Otaria flavescens).
Varias islas se encuentran en el interior de la ría Deseado, las cuales sirven de refugio natural a aves marinas y lobos marinos que se alimentan de la abundante fauna marina que ingresa con las mareas en la ría. Existen colonias de nidificación de gaviota cocinera (Larus dominicanus), el ostrero negro y el pato vapor volador.
Otras especies presentes en los acantilados y costas de las distintas islas e islotes de la ría Deseado son:
Aves de la ría Deseado
Varias islas se encuentran en el interior de la ría Deseado, las cuales sirven de refugio natural a aves marinas y lobos marinos que se alimentan de la abundante fauna marina que ingresa con las mareas en la ría. Existen colonias de nidificación , en la ría Deseado encontramos los siguiente:
Lobo marino de un pelo (Otaria flavescens)
Son de color pardo oscuro cuando son adultos y negro cuando son jóvenes. Los machos adultos habitualmente pesan unos 300 kg, el doble que las hembras, y poseen una capa de pelo castaño rojizo sobre el cuello. Esta «melena» es la causa de que sean llamados «leones marinos». Viven en colonias de unos 15 individuos, formadas por el macho, su harén, y unos pocos jóvenes. Durante el verano, en diciembre y enero, se trasladan a parir a sitios protegidos donde se congregan miles de ejemplares. La gestación dura casi un año, pariendo una sola cría. Durante la época de reproducción, los machos entran en combate por el control de su territorio y por las hembras, y es usual que no se alimenten en ese periodo. Viven entre 25 y 50 años.Los lobos marinos son muy territoriales.