I laghi costituiscono sul piano faunistico l'elemento maggiormente caratterizzante, con presenze invernali di migliaia di uccelli acquatici, il cui numero è aumentato nettamente dopo l'estensione del divieto di caccia all'intero specchio d'acqua. Se prima infatti gli uccelli acquatici si concentravano quasi esclusivamente nell'ansa di Trevignano, denominata "Le Pantane", unica area preclusa all'attività venatoria, oggi è possibile osservare gruppi di anatre e folaghe un po' ovunque.
Nel corso del 2000 e del 2001 sono stati superati i 10.000 uccelli acquatici, soglia limite per la individuazione delle zone umide di importanza internazionale ai sensi della convenzione di Ramsar Val la pena sottolineare come il complesso dei due laghi di Bracciano e Martignano, per la presenza di uccelli acquatici svernanti, risulti inferiore nel Lazio al solo parco nazionale del Circeo.
Un'indagine del 2002 ha rilevato 159 specie di uccelli, di cui 83 non-passeriformi e 76 passeriformi; 72 specie sono sicuramente nidificanti. Tra le più significative sono la folaga, il moriglione, lo svasso piccolo e non mancano specie meno frequenti come il fistione turco, la moretta tabaccata, la pesciaiola, la strolaga mezzana. Legata a passate introduzioni è invece la presenza del cigno reale, che costruisce grandi nidi presso le sponde del lago di Bracciano. Tra le specie ornitiche che frequentano i boschi collinari vanno segnalati nibbio bruno, picchio rosso minore, sparviere, rigogolo, allocco. Pascoli e coltivi sono gli habitat preferiti, tra gli altri, da quaglia, succiacapre, gruccione, zigolo nero e strillozzo.
Tra i mammiferi va innanzitutto sottolineata la presenza accertata di gatto selvatico, lepre italica e ben 12 specie di pipistrelli; e quindi quella di tasso, puzzola, martora, ghiro, moscardino, naturalmente volpe e nutria e cinghiale. Presenti in alcuni esemplari daino e muflone, introdotti negli anni passati nelle ex aziende faunistico-venatorio.
L'erpetofauna conta tra gli altri salamandrina dagli occhiali, rospo smeraldino, colubro di Esculapio. L'ittiofauna, luccio, persico reale, scardola e rovella .