Su situación entre el vecino Parque Nacional de Doñana y el Estrecho de Gibraltar convierte a la Bahía de Cádiz en una pieza clave del sistema migratorio de multitud de aves acuáticas. Especies sedentarias, estivales, invernantes o de paso en sus rutas migratorias componen la avifauna de este humedal litoral. Alcatraces, somormujos, cormoranes, gaviotas y especies limícolas (adaptadas a comer en los fangos) son frecuentes en las playas. Cuenta con la más importante colonia en España de charrancitos.
En las zonas de esteros y salinas anidan cigüeñuelas, cigüeñas, el flamenco, la espátula, garzas y avocetas. Tras su transformación para cultivos acuáticos también acuden especies como el flamenco o el águila pescadora.
Zona de contacto entre medios marinos y terrestres y gracias a la fácil circulación de las aguas, con buena iluminación y abundantes nutrientes, es lugar para una gran diversidad de especies entre moluscos, crustáceos, peces, aves acuáticas y el camaleón, especie protegida que se localiza tanto en bosques de pino piñonero y dunas como en huertos y jardines.
En las zonas litorales fangosas son abundantes las cañaíllas, verdigones, almejas, camarones y cangrejos, también presentes en las salinas donde además se capturan los llamados "pescados de estero": lenguados, lubinas, doradas, lisas... También los mejillones y langostinos, entre otros.