Pela sua diversidade de habitats esta Reserva Natural apresenta uma elevada riqueza específica. Já foram registadas 54 espécies de peixes, 12 espécies de anfíbios, 15 espécies de répteis, 29 espécies de mamíferos e 241 espécies de aves. Os invertebrados são menos conhecidos, existindo contudo estudos sobre alguns habitats e grupos taxonómicos específicos. Foram já inventariados na Reserva cerca de 344 invertebrados aquáticos e 205 borboletas.
As aves são o grupo faunístico mais bem estudado nas Lagoas de Santo André e da Sancha. A Lagoa de Santo André situa-se entre as mais importantes zonas húmidas nacionais para as aves.
Ao contrário do que se verifica noutras zonas húmidas portuguesas, a riqueza específica atinge o seu máximo no final do Verão e no início do Outono. Este padrão deve-se sobretudo à existência de refúgios para as aves nesta altura do ano, quando outras zonas húmidas estão total ou parcialmente secas. Regista-se a ocorreência do Galeirão-comum (Fulica atra) e do Pato-de-bico-vermelho (Netta rufina), ambas espécies com um número de efectivos muito superior nesta zona do que em qualquer outra zona húmida nacional.
A Lagoa da Sancha é mais pobre na diversidade de avifauna aquática nidificante. No entanto existe uma colónia nidificante de Garças-vermelhas (Ardea purpurea) e é o local de refúgio para o Pato-de-bico-vermelho.
É de realçar ainda a existência da Garça-pequena (Ixobrychus minutus), o Tartaranhão-ruivo-dos-pauis (Circus aeruginosus), o Borrelho-de-coleira-interrompida (Charadrius alexandrinus), a Andorinha-do-mar-anã (Sterna albifrons), o Noitibó-de-nuca-vermelha (Caprimulgus ruficollis), a Felosa-unicolor (Locustella luscinioides) e o Rouxinol-pequeno-dos-Caniços (Acrocephalus scirpaceus), sendo este último o símbolo da Reserva.