鳥類は275種（うち絶滅危惧種は58種）が確認されています。夏には沢山のオオヨシキリやコヨシキリが繁殖し、8月から9月には数万羽のツバメがヨシ原で塒（ねぐら）をとり、春と秋にはシギやチドリの中継地となっています。

生態系の頂点にいる猛禽類（もうきんるい）が多いことも特徴です。冬季にはチュウヒ、ハイイロチュウヒ、ノスリ、チョウゲンボウ、コミミズクなどが見られ、特にチュウヒの越冬地としては日本有数を誇り、最近ではオオセッカが繁殖するようになりました。令和5（2023）年5月には、大変珍しいマダラチュウヒも飛来しました。

また平成30(2018)年からコウノトリが定着するようになり、令和2(2020)年からは遊水地内の人工巣塔で繁殖しています。官民協働で「渡良瀬遊水地コウノトリ・トキ定着推進協議会」が設置され、コウノトリに続いてトキも生息できる環境を目指す機運が高まっています。