L'écosystème de l'archipel du lac Saint-Pierre se distingue par une importante diversité faunique. Le territoire recense 79 espèces de poissons, ce qui représente environ 70 % des espèces d'eau douce présentes au Québec. Les eaux du lac et du fleuve Saint-Laurent abritent notamment le doré jaune, le doré noir, le grand brochet, l’achigan à petite bouche, l’achigan à grande bouche, l’esturgeon, la carpe et le maskinongé.
Les habitats aquatiques se composent d'eaux peu profondes, de chenaux, de herbiers denses et de bordures de roseaux. Le grand brochet privilégie les herbiers de la Grande Baie et de la Baie de l’île
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de Grâce ainsi que les structures d'arbres immergés. Le doré jaune et le doré noir fréquentent les fonds de sable et de roches, les barrages de pierres submergés, les embouchures de rivières et les chenaux navigables. L'achigan se concentre dans les baies calmes, les structures rocheuses et la végétation aquatique.
Composé de milieux humides, de marais et d'îles soumises aux inondations printanières, le site sert de halte naturelle pour les oiseaux migrateurs, accueillant jusqu'à 290 espèces d'oiseaux. L'archipel abrite la plus grande héronnière en Amérique du Nord. Parmi l'avifaune observée sur le territoire figurent le Grand Héron, le Héron vert, le Bihoreau gris, la Grande aigrette, le Pygargue à tête blanche, le Balbuzard pêcheur, le Canard colvert, la Sarcelle d'hiver, la Sterne caspienne, le Plongeon huard et le Martin-pêcheur d'Amérique.
