仏沼は草原性特有の自然生態系を保有する豊かな生物多様性を支えています。哺乳類では、環境省ＲＤＢのニホンイイズナなど7科11種、鳥類では、37科161種、植物では環境省ＲＤＢのヒンジモなど52科228種、昆虫類では約43科275種、両生爬虫類では6科7種、魚類では5科8種が確認されています。その中には、世界的に絶滅危機にある、国際自然保護連合（ＩＵＣＮ）レッドリスト掲載種のオオセッカとコジュリンが繁殖しています。さらに、ＩＵＣＮレッドリスト掲載種のシマクイナが生息しています。オオセッカは、世界で中国の一部と日本でしか分布しておらず、個体数は 2,500羽程度と推定され、そのうち仏沼には、1,000羽程度のオオセッカが生息する世界最大の繁殖地といわれています。
　また、仏沼は、絶滅危惧種のオオヨシゴイ、チュウヒ、カンムリカイツブリ等が繁殖し、ヒナが孵っているところで、昆虫類では、世界で一番小さいハッチョウトンボや絶滅危惧種で北方系のカラカネイトトンボ、魚類では絶滅危惧種のイバラトミヨなどが確認されています。さらに、仏沼とその周辺地域は、干潟や水田、湿地など変化に富む自然環境を保有しており国の天然記念物のマガン、ヒシクイなどのガン・カモ類やＩＵＣＮレッドリスト掲載種のヘラシギなどのシギ・チドリ類が春･秋の時期に観察されます。多種多様な渡り鳥が通過する国際的に重要な中継地であります。