Le prime notizie sull’avifauna del lago di Santa Luce  risalgono al 1976 ( Arcamone et. al,1984). Gli studi condotti fino ad oggi documentano la presenza di 155 specie diverse avvistabili lungo l’arco dell’anno. Di queste 155 specie ben il 41,6% è rappresentato da specie strettamente legate al nuovo ambiente. La conclusione dello studio pone risalto sull’arricchimento qualitativo e quantitativo dell’avifauna a seguito della creazione prima e della naturalizzazione dopo, del lago. Significative le presenze durante i periodi di migrazione e di svernamento.
La Riserva ospita 83 specie inserite nella categoria SPEC (Species of European Conservation Concern), cioè importanti dal punto di vista della protezione e della conservazione, a testimoniare ulteriormente l’importanza dell’area protetta.
La categoria SPEC (Species of European Conservation Concern) indica il grado dello status di conservazione di ogni singola specie a livello europeo: nessun numero (specie il cui status di conservazione non presenta particolari minacce immediate); 4 (specie concentrate soltanto in Europa e con uno stato di conservazione favorevole); 3 (specie non concentrate esclusivamente in Europa ma che presentano uno status di conservazione non favorevole); 2 (specie concentrate esclusivamente in Europa che presentano uno status di conservazione non favorevole); 1 (specie minacciate a livello mondiale).
La Check list comprende 155 specie di uccelli osservate, appartenenti a 47 differenti famiglie. Tra le 155 specie ben 62 risultano nidificanti e 101 sono quelle migratrici. 1 specie risulta SPEC 1 (moretta tabaccata Aythya nyroca); 10 specie sono SPEC 2 ( tra cui pettegola Tringa totanus, beccapesci Sterna sandvicensis, assiolo Otus scops, picchio verde Picus viridis, codirosso Phoenicurus phoenicurus ); 38 specie sono SPEC 3 ( tra cui tarabuso Botaurus stellaris, tarabusino Ixobrychus minutus, nitticora Nycticorax nycticorax, sgarza ciuffetto Ardeola ralloides, airone rosso Ardea purpurea, nibbio bruno Milvus migrans, biancone Circaetus gallicus); 34 specie sono SPEC 4.
Decisamente più schivi e sospettosi, di abitudini crepuscolari e notturne, i mammiferi della Riserva seppur numerosi, sono più difficili da avvistare rispetto agli uccelli. La vicinanza dei boschi di S.Luce e Castellina Marittima e la presenza di stretti corridoi ecologici lungo i corsi d’acqua, facilita l’avvistamento dei caprioli e dei cinghiali. L’osservazione è più facile alle prime luci dell’alba oppure al tramonto quando scendono per abbeverarsi. Di giorno non è raro incontrare la volpe mentre vaga lungo le sponde del lago in cerca di cibo o la nutria mentre traghetta il lago da sponda a sponda. La volpe e la faina sono i principali predatori di maggiori dimensioni presenti nella Riserva. La nutria è una specie alloctona che ha popolato negli ultimi decenni molte zone umide italiane. Importata ed allevata per la sua pelliccia dall’America meridionale si è perfettamente adattata alle condizioni ambientali del nostro paese. Il numero di esemplari presenti nella Riserva è costante in quanto tenuto sotto controllo dai predatori naturali presenti. La Riserva ospita molti piccoli roditori, facili prede dei rapaci notturni come il Barbagianni: tra queste il Toporagno, il Topo selvatico, il Moscardino. Molto comune e facile da osservare il Riccio: il suo peggior nemico è il traffico stradale.

Lista mammiferi
Capriolo                                                        Capreolus capreolus
Cinghiale                                                      Sus scrofa
Volpe                                                              Vulpes vulpes
Faina                                                               Martes foina
Martora                                                          Martes martes
Donnola                                                         Mustela nivalis
Tasso                                                               Meles meles
Istrice                                                              Hystrix cristata
Riccio                                                             Erinaceus europaeus
Moscardino                                                   Muscardinus avellanarius
Ghiro                                                              Glis glis
Topolino domestico                                    Mus musculus
Topo selvatico                                             Apodemus sylvaticus
Toporagno                                                    Sorex araneus
In una zona umida la presenza degli anfibi e dei rettili non può certo mancare. Nelle giornate estive il canto della Rana verde risuona nelle anse soleggiate del lago, mentre cervoni e biacchi non rinunciano alla loro siesta giornaliera lungo il camminamento di legno del sentiero principale.

Lista anfibi e rettili
Rana rossa                                                    Rana temporaria
Rana verde                                                   Rana esculenta
Rospo comune                                            Bufo bufo
Rospo smeraldino                                      Bufo viridis
Tritone crestato                                          Triturus vulgaris
Lucertola muraiola                                    Podarcis muralis
Lucertola campestre                                  Lacerta agilis
Ramarro                                                       Lacerta viridis
Orbettino                                                     Anguis fragilis
Luscengola                                                 Chalcides chalcides
Cervone                                                       Elaphe quatuorlineata
Biacco                                                          Coluber viridiflavus
Natrice dal collare                                      Natrix natrix
Vipera comune                                            Vipera aspis

Il gruppo dei pesci è sostanzialmente rappresentativo e troviamo specie tipiche delle acque stagnanti. La natura artificiale del lago e la scarsità di specie presenti nel fiume Fine non ha permesso una colonizzazione veloce di questo nuovo ambiente da parte della fauna ittica e le specie che vi troviamo discendono dagli esemplari immessi per ripopolamento dalla Provincia di Pisa. Oggi i pesci che si possono osservare sono perfettamente integrati in questo giovane ambiente e contribuiscono all’equilibrio dell’intero ecosistema palustre.

Lista pesci
Anguilla                                                       Anguilla anguilla
Luccio                                                          Esox lucius
Tinca                                                            Tinca tinca
Cavedano                                                    Leuciscus cephalus