La reserva de Mar Chiquita alberga una impresionante diversidad biológica gracias a la variedad de ambientes presentes. 

La albúfera, con su combinación de aguas saladas y salobres, sustenta una gran variedad de aves, incluyendo garzas, espátulas rosadas, cigüeñas, chiflones, biguaes y patos. Además, es un sitio crucial para aves migratorias que llegan en períodos no reproductivos desde el Ártico, Sudamérica y diferentes regiones de Argentina, como rayadores, gaviotas y gaviotines, chorlos, becasas y playeros. 

Entre los peces destacan el pejerrey, la corvina, el lenguado y la lisa, y entre los invertebrados se encuentran bivalvos, poliquetos y varias especies de cangrejos, como el cangrejo violinista, el cangrejo cavador y el cangrejo de las rocas. 

El pastizal pampeano costero ofrece un hábitat para animales como el zorro gris, la mulita, el tuco tuco, el carpincho, el coipo, el gato montés y la comadreja colorada, así como una rica avifauna de pastizal, incluyendo el ñandú, el pico de plata, el gavilán, el chorlo pampa, el chajá, y el espartillero. 

Los médanos, por su parte, son el hábitat de la lagartija de las dunas, una especie vulnerable a nivel nacional y en peligro a nivel global, además de ser un Monumento Natural de la provincia de Buenos Aires. Las playas marinas también son utilizadas por mamíferos como los lobos y elefantes marinos durante sus migraciones.