El delta del Llobregat es muy importante para la avifauna, ya que es un punto estratégico dentro de la ruta migratoria de la Mediterránea occidental que une Europa y África. En el Delta se han citado más de 360 especies de pájaros, esta cifra es una de las más altas de especies vistas en la Península Ibérica.

El Delta es, para las aves, zona de descanso, de muda, de alimentación, de nidificación o de invernada. Se considera un área de importancia global en los inventarios científicos, ya que acoge especies de conservación prioritaria en nuestro continente. Por esto fue declarado zona de especial protección para las aves (ZEPA), porque reúne importantes poblaciones de pájaros de interés comunitario prioritario.

Destacan importantes poblaciones nidificantes de cigüeñuelas, chorlitejos patinegros, chorlitejos chicos y zampullines. También nidifican otras especies de distribución muy restringida a Cataluña, con una o dos únicas zonas de cría en el país, como la avoceta, la canastera, el charrán común y el tarro blanco. Las poblaciones de pájaros invernantes también son de gran interés, destacan las anátidas de diferentes especies.

El delta del Llobregat acoge regularmente 3 de les 15 especies en peligro crítico de extinción en España: el avetoro, la pardela balear y el águila pescadora. De estas 15 especies, 7 más han sido citadas o están presentes en migración. Además de las especies en peligro crítico, se pueden encontrar taxones en peligro, vulnerables y casi amenazados.

También hay una destacada población autóctona de galápagos leprosos y de fartets, pequeño pez endémico de los humedales litorales del oeste de la Mediterránea. En los arenales costeros destaca la población de la escasa lagartija cenicienta.

Entre los mamíferos, destaca la población de murciélagos, aunque no es tan numerosa como hace unos años: especies migratorias como el murciélago de Nathusius y otras especies que crían en los macizos de alrededor y utilizan el Delta como zona de alimentación.

Los invertebrados no son tan conocidos. Aún así, muchas especies escasas y amenazadas habitan en el Delta.