魚類のほか、その魚類を捕食する鳥類も多く生活していたとの記録がある。明治以前の文献には、多摩川流域にもトキ、コウノトリ、ツル類、ガンカモ、オオハクチョウなどが訪れていたとも記録されている。これらは河川のほか水田などを生活基盤としているものだが、他の地域がそうであったのと同様、狩猟や水田の減少などにより生活を維持できなくなっていったものと考えられる。
反面、都市部の環境にも適応したカルガモやメジロ、シジュウカラ、ハクセキレイなどが近年増加傾向にあり、カワセミも安定して観察される。また冬鳥ではユリカモメやオナガガモなども増加傾向にある。流域の宅地化に伴い、庭木や公園樹木などの都市環境にも適応した種は逞しく生活し、逆に警戒心の強く森で採食するキジや、水田などの沼地を好むオシドリなどが姿を消したものと考えられる。また多摩川に限らずハクチョウ類の越冬地は北上傾向にあり、これには地球温暖化などの影響が指摘されている。
過去の文献はいずれも、かつて多摩川は多様な生物が生息する豊かな環境であり、さらに江戸時代初期からは周囲に水田が展開することにより形成された里山的環境に適合する生物が多く生息するようになり、その状況が昭和初期まで続いていたことを示唆している。
魚類・水棲小動物.
最近は観賞魚の放流などで外来種の種類・数がともに増加傾向にある。こうした状況を、南米アマゾン川になぞらえて「タマゾン川」と呼ぶこともある。
「おさかなポスト」の活動（魚やカメの受け入れや里親捜し）は、おさかなポストの会飼育管理事務所で存続する。
鳥類.
トビ、チョウゲンボウ、ハヤブサ、ハシボソガラス、ヤマセミ、キセキレイ、ホオジロ、
ノスリ、サシバ、コジュケイ、クイナ、アオジ、アトリ、シメ、ルリビタキ、
ユリカモメ、ウミネコなどが観察される。
この他、旅鳥のトウネンなどが観察されることもある。
河川敷.
河川敷のうち運動場などに利用されていない草むらには雑草類が生い茂り、バッタなどの昆虫やそれを捕食する鳥類が生息する。
河口.
河口付近は、左岸（東京都大田区）には羽田空港が建造され護岸化されているが、右岸（神奈川県川崎市川崎区）や中州には泥や砂が堆積し、河口から数 km にわたり、東京湾内では比較的広い干潟やヨシ原が形成されている。