La grande diversité des milieux qu’offre la plaine des Sorgues explique celle des peuplements d’oiseaux :

• milieux de cours d'eau, berges et  ripisylves ;
• milieux agricoles et notamment de prairies ;
• milieux secs au dessus du gouffre de Fontaine de Vaucluse.

Un inventaire, réalisé dans le cadre de a démarche Natura 2000, a permis de mettre en évidence la présence de 158 espèces d’oiseaux. Certaines espèces remarquables fréquentent le site toute l’année, d’autres ne sont présentes qu’une partie de l’année. Enfin, les migrateurs ne sont observables que quelques jours dans l’année, soit en vol, soit posées lors d’une halte dans leur périple.

Quelques exemples d’oiseaux qui se reproduisent dans la plaine des Sorgues :

Le Martin-pêcheur d’Europe dont quelques couples occupent tout le cours de la Sorgue.
Le Cincle plongeur pour qui la Sorgue amont constitue la seule station de reproduction en plaine du département. Il apprécie les portions avec remous, comme les digues et les rochers.
Le Percnoptère d'Egypte, petit vautour dont il ne reste plus que 60 à 70 couples en France, possède en zone méditerranéenne l'essentiel de ses effectifs en Vaucluse, dont 2 couples plus à l'Est, dans les Monts de Vaucluse et 5 couples dans le Petit Luberon. Le dernier couple de Provence à avoir disparu, en 1993, nichait à proximité du cirque de Fontaine de Vaucluse, plus au Nord.  La perte de ce couple témoigne de l’évolution des milieux et des conditions de survie : disparition des élevages ovins, fermeture des décharges, fermeture des milieux par la reforestation spontanée.

Des rapaces forestiers, qui peuplent la ripisylve : Bondrée apivore (1 couple), Faucon hobereau (1 couple au moins), ainsi que le Milan noir (1 couple), la Buse variable, et l'Epervier d'Europe.