История заповедника Барсакельмес начинается с охотничьего хозяйства Союзпушнины, организованного в 1929 г., когда на остров, кроме сусликов-песчаников, были завезены джейраны, сайгаки, зайцы-русаки, серые куропатки, сырдарьинские фазаны. В 1939 году на базе этого хозяйства был создан заповедник. К моменту его открытия здесь насчитывалось 50-60 голов сайги. В 1953 г. в заповедник завезли куланов из Бадхыза (Туркмения). Число копытных животных из года в год сильно менялось в зависимости от погодных условий, характера зимы и наличия кормов. Особенно колебалась численность джейранов, завезенных в 1929 г. из Каракалпакии в количестве девяти голов. К 1948 г. количество их увеличилось до 2000. Но суровая зима 1948-1949 г. привела к массовому падежу джейранов - их осталось не более 60 особей. Наиболее приспособленными к здешним условиям оказались сайгаки, численность которых в отдельные годы достигала 3000, а в неблагоприятные снижалась в 3-5 раз. По данным учетов в 1983 г. на острове обитало 230 сайгаков, 160 джейранов, 242 кулана. Из-за недостатка пресной и повышения солености морской воды было принято решение о постепенном вывозе куланов с острова. В конце 1990-х годов остров соединился с материком. Оставшиеся животные мигрировали на побережье в поисках источников питьевой воды. Превращение острова в полуостров и компактное местообитание куланов в районе бывшего острова Каскакулан привели к необходимости расширения заповедника, что было завершено к 2005 г. На современном этапе территория заповедника состоит из двух кластерных участков - «Барсакельмес» и «Каскакулан».
Участок «Барсакельмес» включает в себя прежнюю территорию заповедника (16975 га) с расширением на осушку общей площадью 50884 га, из них заповедное ядро - 37725 га, буферная зона - 13159 га. Участок «Каскакулан» занимает площадь 109942 га, из них заповедное ядро - 68154 га, буферная зона - 41 788 га.
Основной массив бывшего острова сложен олигоценовыми гипсоносными глинами, алевритами и песчаниками. На бывшем побережье моря распространены современные морские и озерные отложения, преимущественно пески. Первичные морские равнины сложены разнозернистыми песками, крупными алевролитами, алевритами, скоплением моллюсков, на ограниченных участках - глинами и валунно-галечным материалом.
Флора сосудистых растений заповедника включает 278 видов из 51 семейства и 174 родов. На Барсакельмесе зарегистрировано 253 вида, на Каскакулане - 101. Эндемичные казахстанские виды (всего14) представлены полынью - аральской и прутьевидной, лебедой Пратова, жузгунами - курчеватым, приземистым, Талибина и тюльпаном Борщова, занесе иными в Красную книгу Казахстана. Флора заповедника богата полезными растениями. Ценными кормовыми травами являются полынь белоземельная, кейреук, изень, еркек, ковыли, ажрек. Среди лекарственных растений наиболее известны верблюжья колючка, эфедра двухколосковая, селитрянка Шобера и др. Особенно эффектны декоративные растения: тюльпаны - Борщова и Вузовский, козлобородник красный, лук каспийский и др.
Разнообразие растительных сообществ определяется особенностями рельефа и почвенно-грунтовыми условиями. Образование обширной территории осушенного дна и присоединение острова к побережью привело к формированию широкой полосы первичных растительных группировок.
Основная черта растительности коренного берега - комплексность. Плакорная растительность формируется сообществами главным образом трех видов - полыни белоземельной, биюргуна и еркека пустынного. Иногда встречается редкостойный саксаул. Чередование растительных сообществ обусловлено механическим составом, степенью засоления и солонцеватостью почв. Белоземельнополынники занимают господствующее положение. Они приурочены к зональным серо-бурым почвам, иногда солонцеватым или загипсованным. В их составе 60 видов высших растений, 5 видов лишайников и 2 вида грибов. Наиболее распространенная ассоциация - белоземельнополынник плакорный.
Животный мир заповедника разнообразен. Высока представительность беспозвоночных, только насекомых насчитывается около 2 тысяч видов из 12 отрядов (Поденки, Стрекозы, Богомоловые, Таракановые, Палочники, Уховертки, Прямокрылые, Равнокрылые, Жесткокрылые, или Жуки, Чешуекрылые, Перепончатокрылые и Двукрылые). К сожалению, эта группа животных практически не изучена, за исключением отряда жуков, в котором выявлено около 400 видов из 12 семейств. Из краснокнижных видов насекомых в заповеднике встречаются стрекозы -тонкохвост аральский и дозорщик-император, в сумерках на свет прилетает медведица красноточечная. Возможно нахождение и других видов, в частности, боливарии короткокрылой, кузнечика те мнокрылого и дыбки степной, точечной коровки. Обычны в заповеднике Паукообразные - скорпион, тарантул, фаланга, каракурт. Земноводные представлены двумя видами - широко распростране иной зеленой жабой и озерной лягушкой. Пресмыкающихся отмечено 23 вида, что составляет 46,9% от общего состава фауны республики. Самой богатой является песчаная пустыня, затем глинистая, каменисто-щебнистая, самая бедная - солончаковая. Исключительно на песках обитают гребнепалый геккон, ушастая круглоголовка, круглоголовка-вертихвостка, полосатая и средняя ящурки. А вот сцинковый геккон и песчаный удавчик встречаются и в других биотопах. Такырная круглоголовка, разноцветная ящурка, щитомордник распространены преимущественно в глинистой пустыне. Для всех, или почти всех типов пустынь характерны среднеазиатская черепаха, степная агама, быстрая ящурка, стрела-змея и др. Самыми многочисленными ящерицами заповедника являются такырная круглоголовка, степная агама и разноцветная ящурка.
