Viele Vogelarten nutzen das Gebiet zum Brüten und verlassen es im Herbst, um in südlichen Gefilden zu überwintern. Andere, deren Brutgebiete viel weiter nördlich liegen, suchen es in der kalten Jahreszeit auf, um während des Zuges zu rasten oder den Winter hier zu verbringen. Auch während der Mauser, der Zeit des Federwechsels, wenn Enten und Gänse für einige Wochen flugunfähig sind, sind die großen ungestörten Wasserflächen sehr wichtig.

In den Herbst- und Wintermonaten suchen tausende von Bläss- und Saatgänsen sowie zahlreiche Singschwäne die Weseraue auf. Die ausgedehnten Ackerfluren mit ihren Wintersaaten bilden zu dieser Zeit ideale Äsungsflächen. Sie erinnern strukturell an die baumlosen Subpolargebiete der Tundra, in denen die Tiere den Sommer verbringen und ihre Jungen aufziehen. Die nahegelegenen Gewässer dienen dabei als Schlaf- und Trinkplätze.

Viele seltene Säger- und Entenarten rasten oder überwintern auf den Gewässern der Weseraue. Darunter befinden sich Pfeifente, Schnatterente, Spießente, Krickente, Löffelente, Tafelente, Schellente, Zwerg- und Gänsesäger, zuweilen sogar der Mittelsäger.

Neben der besonderen Landschaftsstruktur und den günstigen Nahrungsquellen ist für die gefiederten Wintergäste in der Weseraue vor allem die Vermeidung von Störungen von größter Bedeutung. Gezielt suchen die Tiere "übersichtliche" Landschaften auf, um potenzielle Feinde frühzeitig zu entdecken und rechtzeitig flüchten zu können. Gänse und Schwäne halten teilweise Fluchtdistanzen von mehreren 100 Metern ein.

Besucher sollten daher zwischen Herbst und Frühjahr die Ackermarschbereiche im Vogelschutzgebiet Weseraue meiden oder zumindest großen Abstand zu den rastenden und überwinternden Vögeln einhalten. Nur so kann das Gebiet seiner wichtigen Funktion im internationalen Vogelschutz gerecht werden.

Aber nicht nur Wasservögel sind während der Winterphase in den Marschbereichen zu beobachten, sondern auch Schwärme von Finkenvögeln, die nach Wildkräutersamen suchen, während durchziehende Goldregenpfeifer, Kiebitze und Stare vor allem Insektenlarven und Würmer auf den Acker- und Grünlandflächen aufspüren.

Besonders erwähnenswert ist der Zug verschiedenster Watvögel, sogenannter Limikolen. Neben Arten wie Rotschenkel, Grünschenkel, Waldwasserläufer, Bruchwasserläufer, Alpenstrandläufer, Flussuferläufer, und Kampfläufer können sogar so seltene Arten wie Sanderling oder Knutt beobachtet werden.