Na Bagnach Biebrzańskich gniazduje wiele gatunków ptaków związanych ze środowiskiem bagiennym. Występują tu izolowane stanowiska lęgowe gatunków borealnych, a także gatunków, których centrum zasięgu geograficznego znajduje się w strefach tajgi i tundry. Ponadto Kotlina Biebrzańska ma ogromne znaczenie dla wielu gatunków ptaków żerujących oraz wypoczywających w czasie corocznych wędrówek. Dla ptaków siewkowatych, wymagających rozległych, podmokłych obszarów, Biebrza stanowi jedną z najważniejszych ostoi w Europie Środkowej.
Najbardziej charakterystyczne lęgowe gatunki ptaków to: batalion (widoczny w emblemacie parku), wodniczka, bekasik, bekas dubelt, bekas kszyk, kulik wielki, biegus zmienny, żuraw zwyczajny, rybitwa białoskrzydła i białowąsa, puchacz zwyczajny, orlik krzykliwy oraz uszatka błotna.
Najbardziej charakterystycznym ssakiem Biebrzańskiego PN jest łoś euroazjatycki, dla którego park jest największą ostoją w Polsce. Ich liczebność wynosi tu około 400 sztuk.