В небольшом количестве на острове гнездится тихоокеанская черная казарка (Branta nigricans), а неразмножающиеся казарки сотнями прилетают сюда на линьку с материковой Чукотки и Аляски. Обычными птицами на острове Врангеля являются обыкновенная гага и гага-гребенушка (Somateria mollissima, S. spectabilis), в очень небольшом количестве встречается и сибирская гага (Polysticta stelleri).
На прибрежных скалах островов заповедника расположены крупнейшие в Чукотском море колонии морских птиц, общая численность которых оценивается до 250−300 тысяч гнездящихся особей. Основу птичьих базаров составляют толстоклювая кайра (Uria lomvia), полярный чистик (Cepphus grylle) и моевка (Rissa tridactyla).
Из других редких и охраняемых птиц на островах встречаются кречет, сапсан (Falco rusticollus, F. peregrinus) и кулик-желтозобик (Tryngites subruficollis), для которого остров — один из немногих пунктов гнездования в Азии.
На изобилующих мелкими озерами равнинах острова вполне обычной птицей является вилохвостая чайка (Xema sabini). В осенний период у берегов острова ежегодно наблюдается пролет и временные концентрации розовых (Rhodostethia rosea) и белых (Pagophila eburnea) чаек.