Благодаря поступившему в 1980 году от Академии Наук Казахстанской ССР предложения организовать Каратауский заповедник в пределах Южно-Казахстанской области началась основополагающая работа. За пять лет провели комплексные исследования, в итоге которых разработали научное обоснование заповедника.
Позже документы рассматривались, проводились дополнительные исследования, всё это затянулось на столько, что официально Каратауский заповедник появился только в 1 марта 2004 г, т.е. больше, чем через 20 лет, после появления прямой необходимости его организации.
Причём заповедник создали на части Туркестанского района Южно-Казахстанской области, значительно сократив (до 41,4 тыс. га) первоначально предполагаемую площадь заповедных земель. Местная природа уже на момент рассмотрения вопроса о создании заповедника находилась в упадническом состоянии, виной тому бесконтрольный выпас скота, браконьерство и вырубка деревьев в данной местности. Заповедник находится на южном склоне центральной части хребта Каратау (г. Бессаз - 2167 м над уровнем моря). Именно в честь этой глыбы и назван заповедник. Северная часть заповедника расположена на обширном нагорном плато Бессаз.
Гидрография региона весьма интересна в своём многообразии. Здесь полно могучих рек, таких, как Кантаги, Биресек, Баялдыр - все они имеют узкие долины в верховьях, которые ближе к середине течения становятся каньонообразными, со значительными перепадами высот. Таким образом в заповеднике появилось довольно большое число живописных водопадов. Нижние части долин более спокойные, рельеф здесь пологий, в река широкая, оттого в многих местах и образуются глубокие выбоины, похожие на маленькие бассейны с прозрачной водой.
Климат Каратауского заповедника довольно засушливый, ближе к континентальному. Среднегодовые показатели температур здесь колеблются в пределах 8-12°С. Температура самого холодного месяца января и самого жаркого июля здесь равняется -5°С +25-27°С соответственно. За год у подножия горы выпадает до 400 мм осадков, в верхних частях гор - до 700 мм в отдельные годы. Зима в горах Каратау солнечная и безветренная. Высота снежного покрова не превышает 20-30 см.
Растительный и животный мир Каратауского заповедника представляет собой нечто очень интересное и уникальное, ведь именно здесь отмечено наибольшее количество эндемичных и редких видов растений во всей республике. Только здесь можно встретить редкую, можно сказать исчезающую популяцию Каратауского архара (горного барана). Научные сотрудники заповедника проводят ежегодные исследования условия обитания этого вида.
В остальном краснокнижные виды довольно распространены на просторах Каратауского заповедника. Среди растений в Красную книгу занесено 42 вида, каратаускими эндемиками считаются ещё 53 вида, к последним относятся лепидолофа Гомолицкого, рапонтикума каратавского, ложная шандра, кузиния мынжилкенская и другие. В общей сложности флора высших растений заповедника насчитывает порядка 400 видов. Среди растений примечателен тау-сагыз, он был открыт миру только в 1929 г. и на протяжении последующих 10-15 лет оставался одним из самых популярных ресурсных дикоросов Советского Союза.
Это растение имеет полушаровидную форму, относится к полукустарникам из семейства Сложноцветных, обитает на щебнисто-каменистых гребнях, в своих корнях содержит до 40% высококачественного каучука. В 1941 г. предприняли беспрецидентную меру - устроили массовую выкопку корней тау-сагыза, из которых удалось получить около 900 тонн чистого каучука.
Также большое внимание в заповеднике уделяется монотипным лжепустынноколоснику Северцова, рафидофитону Регеля, ложной шандре и цилиндроплоднику Северцова, а также редким луку турчинского, песчанке турланской, прангосу хвощевидному, бузульнику Павлова, остролодочнику колючему, копеечнику мынжилкенскому, пижме мынжилкенскойя, синеголовнику каратавскому и др.
Территория Каратауского заповедника стала домом для 3 краснокнижных видов млекопитающих: каратауского архара, индийского дикобраза и каменной куницы. Ещё до создание в данной местности заповедника здесь исчезли тянь-шаньский медведь и снежный барс, стали очень редкими следующие промысловые виды: кабан, косуля, архар, заяц-толай и др.