Η Βιστωνίδα φιλοξενεί αξιόλογη πανίδα. Υπάρχουν περίπου 260 είδη πουλιών. Από αυτά, τα 9 είδη είναι σπάνια ή απειλούμενα σε διεθνές επίπεδο. Σε αυτά περιλαμβάνονται η Κοκκινόχηνα (Branta ruficollis), η Βαλτόπαπια (Aythya nyroca) και αετοί όπως ο Θαλασσαετός (Haliaeetus albicilla), ο Στικταετός (Aquila clanga) και το Κιρκινέζι (Falco naumanni).

Ένα από τα σπανιότερα είδη πουλιών στον κόσμο, με πληθυσμό που δεν ξεπερνάει τις 13.000 άτομα παγκοσμίως, είναι το Κεφαλούδι (Oxyura leucocephala). Στην Ελλάδα το συναντάμε μόνο στη λίμνη Βιστωνίδα. Στα είδη πτηνών που αναπαράγονται εδώ, εντάσσονται ο Κορμοράνος (Phalacrocorax carbo), ο Νυχτοκόρακας (Nycticorax nycticorax), ο Σταχτοτσικνιάς (Ardea cinerea), ο Κρυπτοτσικνιάς (Ardeola ralloides), ο Λευκοτσικνιάς (Egretta garzetta), ο Καλαμοκανάς (Himantopus himantopus), η Αβοκέτα (Recurvirostra avosseta) και η Χαλκοκουρούνα (Coracias garrulous).

Στα είδη που μεταναστεύοντας περνούν από εδώ, περιλαμβάνονται η Χαλκόκοτα (Plegadis falcinelys), ο Ροδοπελεκάνος (Pelecanus onocrotalus), και η Λεπτομύτα (Numenius tenuirosris). Eπίσης πολλά υδρόβια πουλιά παρατηρούνται στην λίμνη τον χειμώνα, όπως η Καστανόπαπια (Tadorna ferruginea), η Βαρβάρα (Tadorna tadorna), η Πρασινοκέφαλη (Anas platyrhynchos), η Χουλιαρόπαπια (Anas clypeata), το Σφυριχτάρι (Anas Penelope), το Κιρκίρι (Anas crecca), το Γκισάρι (Aythya ferina), η Σταχτόπαπια (Aythya marila), η Αβοκέτα (Recurvirostra avosseta), η Καλημάνα (Vannellus vanellus) , το Φοινικόπτερο (Phoenicopterus ruber) και η Μαυροκέφαλη πάπια (Aythya fuligula).

Στην περιοχή της Βιστωνίδας εντοπίζονται επίσης, περίπου 20 είδη θηλαστικών, 19 είδη ερπετών και 11 είδη αμφιβίων, η πλειοψηφία των οποίων βρίσκεται υπό καθεστώς προστασίας, βάση του Προεδρικού Διατάγματος 67/1981 «για την προστασία της αυτοφυούς χλωρίδας και πανίδας της Ελλάδος», της Διεθνούς Σύμβασης της Βέρνης «για την διατήρηση της άγριας ζωής και του φυσικού περιβάλλοντος της Ευρώπης» ή συμπεριλαμβάνονται στο Red Data Book (Κόκκινο Βιβλίο των απειλούμενων Σπονδυλόζωων της Ελλάδος). Τα σημαντικότερα είδη θηλαστικών είναι: η Νυφίτσα (Mustela nivalis), το Κουνάβι (Martes foina), ο Ασβός (Meles meles), η Βίδρα (Lutra lutra), η Αλεπού (Vulpes vulpes), ο Λύκος (Canis lupus), το Τσακάλι (Canis aureus), η Αγριόγατα (Felis sylvestris), το Αγριογούρουνο (Sus scrofa), ο Λαγός (Lepus europaeus), ο Σκαντζόχοιρος (Erinaceus europaeus), ο Μαυροποντικός (Ratus ratus), ο Νεροαρουραίος (Arvicola terrestris), ο Σταχτοποντικός (Mus domesticus), ο Δασομυoξώς (Gils gils) και ο Ασπάσακλας (Talpa romana).

Όσον αφορά τα ερπετά, κάποια από τα είδη που συναντούμε, είναι: η Ποταμοχελώνα (Mauremus caspica), η Βαλτοχελώνα (Emys orbicularis), η Πρασινόσαυρα (Lacreta viridis), το Σαμιαμίδι (Hemidactylus turcicus), η Βαλκανόσαυρα (Podarchis taurica), η Αιγαιόσαυρα (Podarchis erhardii), το Γιατρόφιδο (Elaphe longissima), o Λαφιάτης (Elaphus quatorlineata), το Σπιτόφιδο (Elaphe situla), η Οχιά (Vipera ammodytes), το Νερόφιδο (Natrix natrix) και ο Σαπίτης (Malpolon monsenssulanus).

Τέλος, κάποια από τα αμφίβια που εντοπίζονται, είναι τα εξής:. Ο Δενδροβάτραχος (Hyla arborea), ο Πρασινόφρυνος (Rufo viridis), ο Πηδοβάτραχος (Rana dalmatica), ο Κοινός Τρίτωνας (Triturus vulgaris), ο Χωματόφρυνος (Bufo bufo), η Σαλαμάνδρα (Salamandra salamandra), ο Γραικοβάτραχος (Rana gracea) και η Πηλοβατίδα (Pelobates syriacus).

Μεγάλη είναι και η ποικιλία των ψαριών που υπάρχουν στη λίμνη αν και τα τελευταία χρόνια αυτά έχουν περιοριστεί εξαιτίας των μεταβολών των περιβαλλοντικών συνθηκών. Στην λεκάνη απορροής της Βιστωνίδας, των δυο ποταμών που εκβάλλουν σε αυτή (Κομψάτο και Κόσυνθο), καθώς στις λιμνοθάλασσες που περιλαμβάνει (Πόρτο Λάγος, Λαγός, Λάφρη, Λαφρούδα) έχουν καταγραφεί συνολικά 62 είδη.

Στα γλυκά νερά της λίμνης εντοπίζονται είδη σε σημαντικούς πληθυσμούς, όπως η Ποταμοσαλιάρα (Salaria fluviatilis), η Θρακοβελονίτσα (Cobitis strumicae) , το Σίρκο (Alburnus alburnus), η Γελάρτζα (Alburnus vistonicus), η Πεταλούδα (Carassius gibelio), η Θρακική Μπριάνα (Barbus cyclolepis), η Μαλαμίδα (Vimba melanops), ο Σύρτης (Chondrostoma vardarense), το Γριβάδι (Cyprinus carpio), το Γυφτόψαρο (Gobio bulgaricus), ο Ποταμοκέφαλος Θράκης (Squalius orpheus), το Πετροχείλι (Oxynoemacheilus bureschi) και η Μουρμουρίτσα (Rhodeus amarus). Σπανιότερα είδη είναι το Τσαϊλάκι (Petroleuciscus borysthenicus), το Μικροσίρκο (Leucaspius delineatus), η Θρίτσα (Alosa vistonica) και η Αλάια (Alburnus vistonicus). Αξίζει να αναφερθεί ότι η Θρίτσα αποτελεί κύριο ενδημικό και υπό εξαφάνιση είδος που εντοπίζεται αποκλειστικά στη λίμνη, ενώ και η Αλάια περιλαμβάνεται στον Κόκκινο Κατάλογο των Απειλούμενων Ζώων της IUCN.

Στα υφάλμυρα νερά της λίμνης εντοπίζονται είδη όπως η Αθερίνα (Atherina boyeri), η Λειροσαλιάρα (Salaria pavo), ο Ζαχαριάς (Aphanius faschiatus), ο Πρασινογωβιός (Zosterissesor ophiocephalus), ο Ποντογωβιός (Knipowitschia caucasica), το Λαβράκι (Dicentrarchus labrax), το Χειλωνάρι (Chelon labrosus), το Μυξινάρι (Liza aurata), ο Κέφαλος (Mugil cephalus), το Αγκαθερό (Gasterosteus gymnurus) και το Φασί (Platichthys flesus). Τέλος, τόσο στα γλυκά όσο και στα υφάλμυρα νερά της λίμνης εντοπίζονται σπάνια πληθυσμοί Χελιών (Anguilla anguilla) και Σαρδελομάνας (Alosa fallax).