Каратауский государственный природный заповедник организован согласно постановлению Правительства Республики Казахстан от 1 марта 2004 года № 249 «О создании государственного учреждения „Каратауский государственный природный заповедник“ Комитета лесного и охотничьего хозяйства Министерства сельского хозяйства Республики Казахстан».

Каратауский заповедник расположен в центральной части хребта Каратау, который является ответвлением северо-западных дуг Тянь-Шаня на территории Туркестанской области. Граничит с пустынями Мойынкум, Кызылкум, Бетпак-Дала. Площадь заповедника занимает 34 300 га.

Хребет имеет асимметричное строение. Юго-западный склон его широкий и сравнительно-пологий. Северо-восточный и северный склоны отличаются значительной крутизной. Наивысшая точка хребта — гора Мынжилки — верховья Бессаз с отметкой 2 176 м. Склоны хребта расчленены глубокими долинами многочисленных рек и временными водотоками, имеющих почти всюду сезонный поверхностный сток.

Сравнительно крупные реки — Баялдыр, Биресик, Хантаги, Талдыбулак. Ни одна из них не доносит свои воды до главной водной артерии реки Сырдарья, теряя сток у подножия склонов. Площадь охранной зоны составляет 17 490 га.

Животный мир заповедной территории, как и в целом хребта Каратау, за последнее столетие претерпел существенные изменения. В этот период здесь были уничтожены тяньшанский бурый медведь и снежный барс, а многие промысловые виды стали чрезвычайно редкими.

На территории Каратауского заповедника встречаются 3 вида млекопитающих, которые занесены в Красную Книгу РК: каратауский архар, индийский дикобраз и каменная куница.

Орнитофауна содержит 118 видов. Из числа редких, ареал которых сокращается, и находятся под угрозой исчезновения 12 видов птиц занесены в Красную книгу Казахстана (1996 г.): белый аист, чёрный аист, змееяд, орёл-карлик, степной орёл, беркут, бородач, стервятник, балобан, красавка, джек, филин.

На сегодняшний день энтомофауна содержит более 152 вида, из числа редких насекомых 2 вида являются эндемиками Каратау и Средней Азии, 1 вид реликтовый, 8 занесены в Красную Книгу СССР (1984 г.) и Красную Книгу Казахстана.

Флора Каратауского хребта на всем протяжении содержит более 1 600 видов высших сосудистых растений. Малоизученной остается флора низших и высших споровых растений. По числу эндемичных видов Сырдарьинский Каратау занимает ведущее место во флоре Казахстана. На территории созданного заповедника предположительно произрастает 600—700 видов, из которых по данным ученых 76 видов относятся к эндемикам. За последнее десятилетие имеются сведения о 65 эндемах, местонахождения многих из них, по последним научным сведениям из мест первичного сбора исследователей, не было обнаружено.