Do có tính đa dạng cao về sinh cảnh, sự biến động theo mùa và thường xuyên của chế độ thủy lý, thủy hóa, nguồn dinh dưỡng tại chỗ và sông suối tải vào phong phú mà hệ sinh thái động vật đầm phá rất giàu về thành phần loài, đặc biệt là động vật thủy sinh. Trong đó, động vật phù du có mật độ phân bố dao động từ 16.000 (cửa Thuận An, Tư Hiền) đến 67.967 (đầm Cầu Hai) và 73.722 (cửa sông Ô Lâu) ct/m3. Mật độ phân bố động vật đáy biến động theo mùa (mùa khô tăng lên), theo khu vực và đạt giá trị từ 575 (đầm Thủy Tú) đến 1.753 (cửa sông Ô Lâu) và 2.665 (đầm Cầu Hai) ct/m3.
* Khu hệ động vật không xương sống (Invertebrata)
- Ngành giun đốt: Trong ngành giun đốt ở đầm phá Tam Giang - Cầu Hai hầu như chỉ gặp các loài (23 loài) của lớp giun nhiều tơ (Polychaeta): Namalycastis longicirris, Dendronereis arborifera, Nephthys oligobranchia, N. californiensis, N. polybranchia, Neanthes japonica. N. caudata, Ceratonereis mirabilis ...
- Ngành nhuyễn thể: Kết quả điều tra cho thấy có 18 loài nhuyễn thể thuộc bộ chân bụng trung (Mesogastropoda), bộ chân rìu mang sợi (Filobranchia) và bộ chân rìu mang tấm (Eulamellibranchia), trong đó thành phần loài ưu trội thuộc về bộ chân rìu mang tấm. Đó là các loài: Terebrallia sulcata, Perna viridis, Meretrix meretrix, Sermyla tonartella, Mactra quadragularis, Sanguinolaria diphos, Anomalocardia producta, Limnoperna siamensis, Corbicula bocourti, C. moreletiana, Cyrenobatissa subsulcata...
- Ngành chân khớp: Trong ngành chân khớp đã phát hiện các loài thuộc bộ râu ngành (Cladocera), bộ chân chèo (Copepoda) của giáp xác phù du (33 loài) và các bộ Amphipoda, Tanaidacea, Isopoda, Decapoda thuộc giáp xác bám đáy (12 loài). Một số loài tiêu biểu của giáp xác phù du và giáp xác bám đáy (giáp xác lớn Malaeostraca) như sau: Vietodiaphtomus hatinhensis, Diaphanosoma sarsii, Moina dubia (Cladocera), Sinocalanus lacvidactylus, Centropages brevifurcus, Mesocyclops leuckarti, Pseudodiaptomus sp., Bosmia longirostris, Harpacticus sp., (Copepoda), Kamaka palmata, Tachaea chinensis, Melita vietnamica, Grandidierella vietnamica, Cyathura truncata, Apseudes vietnamensis, Penaeus semisulcatus, Penaeus monodon, Metapenaeus ensis, Scylla serrata... (Malacostraca).
Trong thủy vực đầm phá, động vật không xương sống thủy sinh phân bố thành ba nhóm loài theo độ mặn, trong đó nhóm loài nước lợ chiếm ưu thế, kế đến là nhóm loài gốc biển và sau cùng là các loài nước ngọt. Số lượng cá thể động vật phù du cao, trung bình từ 6.622 (thời kỳ 1998 - 2.000) đến 45.000 (thời kỳ 2001 - 2003) ct/m3. Mật độ phân bố động vật bám đáy ở đây cao hơn các thủy vực cùng loại của nước ta, trung bình đạt 1.300 ct/m3. Trong số động vật đáy của đầm phá, bộ Amphipoda chiếm ưu thế về số lượng, còn nhuyễn thể (Mol1usca) lại vượt trội về khối lượng.
* Khu hệ cá (Pisces)
Hiện nay đã xác định được 163 loài cá, thuộc 95 giống, 60 họ nằm trong 17 bộ khác nhau. Trong khu hệ cá đầm phá, ưu thế nhất thuộc bộ cá vược (Perciformes) gồm 30 họ (chiếm 50%) và 86 loài (chiếm 52,76%). Tiếp theo là bộ cá đối (Mugiliformes) với 14 loài (chiếm 8,95%), bộ cá chép (Cypriniformes) và bộ cá chình (Anguilliformes) mỗi bộ có 10 loài (chiếm 6,13%). Những bộ còn lại có số loài không nhiều vào khoảng được 5% tổng các loài cá đã điều tra ở đây. Nói chung khu hệ cá đầm phá nằm trong 4 nhóm sinh thái theo nguồn gốc (liên quan độ mặn) của chúng dưới đây:
- Nhóm cá nước lợ: Có số loài đông nhất và là nhóm chủ yếu của khu hệ cá đầm phá. Đại diện nhóm này gồm các loài cá thuộc các họ: Clupeidae, Engraulidae (bộ Clupeiformes), Atherinidae (bộ Atheriniformes), Hemirhamphidae (bộ Beloniformes), Mugi1idae (bộ Muguiliformes), Theraponidae, Leiognathidae, Gobiidae, Siganidae (bộ Perciformes).
- Nhóm cá nguồn gốc biển: Đa số thuộc bộ cá vược sống ở vùng biển nhiệt đới và có số lượng nhiều. Tuy nhiên, nhiều loài thuộc cá hẹp muối nên thường xuất hiện trong đầm phá vào mùa khô.
- Nhóm cá nước ngọt: Nhóm sinh thái này có thành phần loài hạn chế, phân bố chủ yếu ven bờ Tây Nam (nơi có nước sông đổ vào). Trong mùa mưa lũ với độ mặn thấp (5-10‰) thường gặp tới 30 loài của các họ: Cyprinidae (bộ Cypriniformes), Notopteridae (bộ Osteoglossiformes), Clariidae (bộ Siluriformes), Symbranchidae (bộ Symbranchiformes), Anabantidae, Ophiocephalidae (bộ perciformes).
- Nhóm cá di cư: Tùy thuộc giai đoạn sinh trưởng của cá thể, một số loài di cư đến các thủy vực khác vào từng thời gian nhất định hàng năm. Phần lớn các loài di cư vào đầm phá để kiếm mồi hoặc sinh sản như cá mòi cờ, cá đối lá, cá cơm biển... Một số khác thuộc cá nước ngọt như chình hoa sống ở khe suối miền đồi núi, cá đối mục, cá mú, cá dìa sống trong đầm phá lại di cư ra biển để đẻ trứng.
Khu hệ cá đầm phá ở đây khá gần gũi với các khu hệ cá cửa sông Việt Nam, đặc biệt là cửa sông phía Bắc. Ở đây đã xác định được 23 loài cá có giá trị kinh tế. Các loài cho sản lượng cao là cá dầy (Cyprinus centralus), cá đối lá (Mugil kelaarti), cá đối mục (M. cephalus), cá dìa (Siganus guttatus), cá bống thệ (Oxyurichthys tentacularis), cá hanh (Sparus latus), cá hồng chấm (Lutianus johni), cá căng đàn (Therapon jarbua) ...
* Khu hệ chim (Aves)
Những kết quả khảo sát vừa qua cho phép bổ sung danh lục chim, phần lớn là chim nước, khá phong phú với 70 loài, trong đó có 34 loài chim di cư, 36 loài chim định cư, 28 loài có giá trị kinh tế cao, 21 loài được ghi trong Danh lục chim bảo vệ nghiêm ngặt của Cộng đồng Châu Âu và 1 loài trong Sách đỏ Việt Nam. Nhờ có thảm thực vật đầm lầy gồm cỏ tranh, cỏ gà nước, lác, sú, chim nước tập trung với mật độ cao thành các sân chim tại 3 khu vực: cửa sông Ô Lâu, đầm Sam và cửa sông Đại Giang. Vào đông xuân số lượng chim lên tới 20.000 con. Có lúc đàn ngỗng trời trên 500 con, đàn vịt trời trên 1.000 con và đàn sâm cầm tới 2.000 - 3.000 con. Theo số liệu thống kê các loài chim ở đây chủ yếu nằm trong 7 bộ: bộ cò (Ciconiformes) bộ cắt (Falconiformes), bộ sếu (Gruiformes), bộ ngỗng (Anseriformes), bộ rẽ (Charadriiformes), bộ sả (Coraciformes), bộ sẻ (Passeriformes). Một số loài chim trong các bộ kể trên thuộc Danh lục chim bảo vệ nghiêm ngặt của Cộng đồng Châu Âu bao gồm: diệc lửa (Ardae purpurea), cò trắng (Egretta garzetta), cò ruồi (Bubulcus ibis), ó cá (Pandion haliaetus), cắt lưng hung (Falco tinmunculus), choi choi sông (Charadrius dubius), choi choi khoang cổ (C. alexandrius), choắt đốm đen (Tringa stagnatilis), choắt bụng xám (T. glareola), choắt nhỏ (T. hypoleucos), nhàn đen (Chilidonias hybrida), bồng chanh (Alcedo athis), nhạn bụng trắng (Hirundo rustica), chìa vôi vàng (Motacilla flava), chìa vôi trắng (M. alba), chim manh lớn (Anthus novaeseelandiae), bách thanh (Lanius schach), bách thanh nhỏ (L. collurioides), chích đầu nhọn mày đen (Acrocephalus istrigiceps), chích đầu nhọn phương Đông (A. orientalis), sẻ đồng ngực vàng (Emberiza aureola).
Theo Địa chí Thừa Thiên Huế - Phần Tự nhiên
(Nhà Xuất bản Khoa học xã hội - năm 2005)