La faune de la réserve naturelle est remarquable par sa richesse mais les connaissances actuelles sur les différentes classes animales à Grand-Lieu sont loin d’être homogènes.
L’avifaune constitue sans doute son élément majeur, lui conférant un indiscutable intérêt international, tant en migration, hivernage qu’en reproduction. Le lac de Grand-Lieu abrite un effectif moyen à la mi-janvier de 35 000 anatidés et rallidés, auquel vient s’ajouter un dortoir de laridés de près de 30 000 individus. En période de reproduction, la réserve naturelle accueille un peuplement de grands échassiers (Ardéidés et Threskiornithidés) unique : près de 2000 couples pour une dizaine d’espèces, se reproduisent dans la roselière boisée. Pour certains ardeidés, il s’agit même des plus importantes colonies reproductrices de l’ouest de la France, c’est le cas de la Grande Aigrette, du Bihoreau gris, du Héron pourpré ou encore du Héron garde-bœuf. Après avoir été pendant longtemps le seul site français où la Spatule blanche se reproduisait, la réserve accueille encore selon les années de 20 à 40 % des effectifs reproducteurs nationaux de l’espèce.
L’herbier de macrophytes flottants abrite plus du tiers de la population française de Guifette moustac (entre 700 et 1800 couples sur le lac). Enfin, la roselière abrite quelques espèces nicheuses à fort intérêt patrimonial : Marouette ponctuée, Locustelle luscinoïde ou encore les migrateurs, comme les Phragmites des joncs et aquatique.
En ce qui concerne le peuplement ichtyologique, le Able de Heckel trouve à Grand-Lieu des densités impressionnantes; notons également la présence de la Bouvière et l’importance des populations d’Anguille et de Brochet.
La présence d’une population de Loutre est ancienne et notable. Les 12 espèces de chiroptères trouvent un lieu de chasse remarquable à Grand-Lieu. La population de Campagnol amphibie reste, en revanche, à évaluer. La connaissance des invertébrés est encore balbutiante à Grand-Lieu. Néanmoins, le peuplement d’odonates est remarquable avec 46 espèces, la réserve, compte tenu des habitats représentés, n’en abritant « que » 26 parmi celles-ci. Cinq d’entre elles font partie de la liste des espèces déterminantes pour la région.
En dépit d’inventaires encore peu développés, le groupe des Orthoptères présente quatre espèces à fort intérêt patrimonial.