在产出大量硅化木的同一套岩层中，还保存有丰富的恐龙化石。其中袁复礼教授1931年在
将军戈壁发现的长10.26m、背高4.05m的大型恐龙--
奇台天山龙，是中国人第一次在亚洲发现恐龙化石。1983年以来，中外古生物专家在公园区域内又先后挖掘出大量
恐龙化石，其中包括体长30.4米，高10余米，亚洲最大的恐龙--
中加马门溪龙、新疆侏罗纪典型的食肉型恐龙--长5.1米，背高1.7米的江氏单嵴龙、以及蜥脚类的苏氏巧龙和戈壁卡拉麦里龙，鸟臀目的
五彩湾工部龙，还有被称为代表了兽脚类恐龙重要演化环节的董氏中国伶盗龙。与恐龙化石伴生的还有大量鳄类、龟类、蜥蜴以及两栖—哺乳动物和小型原始哺乳动物化石。
硅化木-恐龙国家地质公园景区内还是极其重要的荒漠物种保存地和生态功能区，植被以白梭梭、沙拐枣、红柳等灌木，以及猪毛菜、碱蓬等草本植物为主，野生动物以有蹄类最为重要。1982年国家在这里建立了“卡拉麦里有蹄类野生动物保护区”，保护对象主要是
蒙古野马（又名“
普氏野马”）、
蒙古野驴、鹅喉羚、
高鼻羚羊、盘羊、马鹿、野山羊等及其生存环境。保护区面积达1.8万平方公里，是我国最大的自然保护区之一。有蹄尖动物以鹅喉羚最多，数量近万只。19世纪被俄国探险家普尔热瓦尔斯基发现并命名的普氏野马的野生种群已不存在，1985年以来陆续从国外引进野马后裔，并在保护区内建立了全国唯一的
野马繁殖中心，将逐步使蒙古野马重返大自然。