一部地域では漁業が営まれており、鮎、ヤマメ、鯉、ニジマス、フナ、ウグイ、イワナなどが水揚げされているため、これらの魚種が相応に生息しているものと考えられている。また近年になると堰に魚道が設けられるといった施策がされ、それに伴って激減していた鮎の遡上数が急増した。この他、ドジョウなどの魚類、モクズガニやサワガニ、テナガエビなどの甲殻類、他にも様々な小動物の生息が観察される。鮎については、餌とする在来藻類の生長を妨げる外来藻類ミズワタクチビルケイソウの発生が確認されている[48]。

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[49]。

川崎河川漁業協同組合と環境保全NPOや環境教育団体であるいきものふれあい教室により、多摩区菅にある稲田公園さかなの家に「おさかなポスト」が設置されており、川崎河川漁業協同組合総代の山崎充哲が管理している[50]。こうした取り組みは、外来魚などの放流防止に役立っていたが、「さかなの家」「おさかなポスト」は2019年3月末を以て、川崎市と川崎河川漁業協同組合が存続を拒否したため廃止予定。

「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。
奥多摩湖
オオクチバス、コクチバス、ブルーギル、ニジマス、イワナ、ハス、ワカサギ、オイカワ、ウグイ、コイ、ギンブナ、ゲンゴロウブナ、ヤマメ、ヌマチチブ、サクラマス 等
上流域
イワナ、ヤマメ、ニジマス、ウグイ、タカハヤ、アブラハヤ、カジカ、ホトケドジョウ、ギバチ、アカザ 等
中流域
アユ、ニジマス、マルタ、ウグイ、オイカワ、カワムツ、ヌマムツ、ムギツク、カマツカ、ツチフキ、モツゴ、コウライモロコ、スゴモロコ、タモロコ、ニゴイ、コイ、ソウギョ、ギンブナ、キンブナ、ゲンゴロウブナ（ヘラブナ）、ドンコ、ヌマチチブ、トウヨシノボリ、ウキゴリ、スミウキゴリ、シマウキゴリ、オオヨシノボリ、ジュズカケハゼ、メダカ、カダヤシ、ドジョウ、シマドジョウ、ヤマトシマドジョウ、オヤニラミ、ナマズ、ウナギ、ヤツメウナギ、タウナギ、カムルチー、カワアナゴ、タイリクバラタナゴ、オオクチバス、コクチバス、ブルーギル、ナイルティラピア 等
下流域
マルタ、ウナギ、コイ、カワアナゴ、シマハゼ、マハゼ、アベハゼ、アシシロハゼ、スズキ、コトヒキ、ボラ、クルメサヨリ、ヌマチチブ、トウヨシノボリ、ウキゴリ、スミウキゴリ、オオヨシノボリ、ジュズカケハゼ、クサフグ 等
目撃例が報告された外来種（上記以外）
スポッテッドガー、グッピー 等 前者は繁殖した個体ではなく、ある程度まで成長してから飼育放棄により密放流されたものであると考えられる[51]。後者は前者に比べて繁殖の可能性が高いものの、温泉や多量の工業廃水が流れ込み水温が保たれる限られた場所以外では、越冬できないとされる。
国内間移入種
外来魚だけでなく、元来は多摩川水系に生息しない日本産淡水魚を観賞魚として楽しんだ後に多摩川に放流する者もいると推測され、全国の日本産在来魚が多摩川で見られる。オヤニラミやムギツク、アカザなどはその代表と思われる。
鳥類

[52]
留鳥

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、カワウ、コサギ、ゴイサギ、アオサギ、カルガモ、ハシブトガラス、カイツブリ、オナガ、バン、キジバト、ヒヨドリ、コチドリ、イカルチドリ、シロチドリ、イソシギ、カワセミ、ムクドリ、コゲラ、ヒバリ、ハクセキレイ、セグロセキレイ、カワラヒワ、ウグイス、シジュウカラ、メジロ、スズメなどが観察される。
冬鳥

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、ダイサギ、マガモ、コガモ、オカヨシガモ、ヒドリガモ、オナガガモ、ハシビロガモ、キンクロハジロ、スズガモ、タシギ、ジョウビタキ、ツグミ、ユリカモメ、ウミネコなどが観察される。
夏鳥

ヨシゴイ、ササゴイ、アマサギ、チュウダイサギ、チュウサギ、ツバメ、イワツバメ、オオヨシキリ、コアジサシなどが観察される。