Per diverse specie animali, l'ecosistema fluviale presenta un'importanza notevole.
L'insieme dei fattori naturali che caratterizzano questo ambiente rappresenta un punto di approdo anche per quegli animali che non sono strettamente legati alla vita acquatica.
Purtroppo, malgrado l'importanza naturalistica della Riserva del Fiumefreddo, le conoscenze faunistiche, se si escludono pochi gruppi come gli uccelli, sono allo stato attuale ancora molto frammentarie e lacunose.
Fino a non molti anni fa chi visitava questi luoghi poteva osservare una ricca e varia avifauna, infatti, molte specie migratorie trovavano in queste zone umide le condizioni ambientali ideali per la nidificazione o per la sosta e il foraggiamento.
La progressiva antropizzazione dei luoghi ne ha ridotto la presenza.  
Nonostante ciò, col ripristino di alcune condizioni ambientali originali, negli ultimi anni è stato possibile osservare, immerse nella fitta vegetazione ripale, la ricomparsa di alcune specie di uccelli migratori.
Delle specie stanziali possiamo ricordare: la Gallinella d'acqua (Gallinula chloropus), il Verdone (Chloris chloris), il Cardellino (Carduelis carduelis), il Fringuello (Fringilla coelebs), la Cianciallegra (Parus major), il Passero solitario (Monticola solitarius), il Merlo (Turdus merula), la Gazza (Pica pica), il Corvo (Corvus frugilegus), la Cornacchia (Corvus corone), il Gheppio (Falco tinnincu-lus), il Barbagianni (Tyto alba), l'Usignolo di fiume (Cettia cetti).
Più rara è la presenza del Martin pescatore (Alcedo atthis). Delle specie migratorie avvistate all'interno della Riserva sono da citare: il Germano reale (Anas platyrhinchos), il Codone (Anas acuta), il Moriglione (Aythya ferina), il Mestolone (Anas clypeata), la Pavoncella (Vanellus vanellus), il Tordo (Turdus philomelos), lo Storno (Sturnus vulgaris), l'Allodola (Alauda arvensis), il Beccaccino (Gallinago gallinago), la Beccaccia (Scolopax rusticola), la Marzaiola (Anas querquedula), l'Upupa (Upupa epops), l'Alzavola (Anas crecca), l'Airone rosso (Ardea purpurea), l'Airone cenerino (Ardea cinerea), la Nitticora (Nycticorax nycticorax), la Garzetta (Egretta garzetta), la Tortora (Streptopelia turtur), il Tarabusino (Ixobrychus minutus), la Cannaiola (Acrocephalus scirpaceus), il Nibbio (Milvus migrans), il Fischione (Anas penelope), il Cuculo (Cuculus canorus).
Sono stati osservati, inoltre, anche se più raramente: il Piviere dorato (Charadrius apricarius), la Gru (Grus grus), la Ghiandaia marina (Coracias garrulus), la Cicogna (Ciconia ciconia) e la Cincia (Parus ater). Meno numerosi, ma non per questo meno interessanti, sono i piccoli mammiferi che vivono all'interno della riserva, tra questi è possibile incontrare il Coniglio selvatico (Oryctolagus cuniculus), la Volpe (Vulpes vulpes), la Donnola (Mustela nivalis), il Riccio (Erinaceus europaeus) e i piccoli roditori come il Topo selvatico (Apodemus sylvaticus).
Anche i Rettili trovano qui ricche possibilità di vita come il Biacco (Coluber viridiflavus), la Biscia dal collare (Natrix natrix), nonché i più conosciuti Ramarro (Lacerta viridis), Lucertola campestre (Podacris sicula) e il Geco comune (Tarentola mauritanica).
Tra gli Anfibi si segnalano il Rospo comune (Bufo bufo), la Rana verde (Rana esculenta) e la Rana greca.
Le specie ittiche presenti nel Fiumefreddo sono l'Anguilla (Anguilla anguilla) e più raramente la Trota farlo. Nonostante la mancanza di specifiche informazioni scientifiche sugli invertebrati che vivono nella riserva, e in particolare sulla presenza di eventuali specie endemiche e/o di interesse biogeografico, è possibile osservare, durante la visita del suo territorio, numerosi insetti comuni e non che costituiscono, fra l'altro, la fonte alimentare per gran parte della fauna superiore.
Fra questi si segnala la presenza di varie specie di Libellule e di Coleotteri, del Grillo campestre, della Cicala, della Coccinella, della Pulce d'acqua, del Calabrone, del Macaone, della Cavolaia, della Vanessa del cardo e dell'ortica, del Lombrico e del Granchio di fiume.

La notevole importanza dell'area protetta è legata alle particolari condizioni ecologiche create dalle acque fredde e lentamente fluenti del Fiume Fiumefreddo, che garantiscono la presenza di una vegetazione acquatica di rara bellezza caratterizzata in special modo dalle Brasche (Potamogeton crispu e natans) e dal Ranuncolo a pennello (Ranunculus penicillatus).
Queste ultime idrofite (piante che vivono in acqua), tipiche nell'Europa centrale e Atlantica, rappresentano stazioni di rilevamento uniche per tutto il centro-sud d'Italia.
Nelle zone del fiume meno profonde e caratterizzate da deboli correnti, si può riscontrare il Sedano d'acqua (Apium inundatum), il Crescione (Nasturtium officinale), la Veronica acquatica (Veronica anagallis acquatica), la Menta d'acqua (Mentha suaveolens). In prossimità della foce si notano macchie a Sparganio (Sparganium erectum), specie abbastanza rara e in Sicilia presente solo sui Nebrodi, a 1000 m di quota. Le sponde del fiume sono caratterizzate principalmente dalla presenza di popolamenti di Cannuccia di palude (Phragmites communis) frammiste a qualche rara presenza di Poligono seghettato (Polygonum licifolium).
Nei pressi delle sorgenti Quadare, si possono osservare piante di Papiro (Cyperus papyrus), certamente non originarie della zona e di recente introduzione. La fascia di vegetazione sovrastante il canneto con i Cariceti a Carice spondicola (Carex elevata)e a Carice volpina (Carex otrubae), ospita una egregia flora palustre costituita dalla Salcerella comune (Lytrus salicaria), dallo Giaggiolo acquatico (Iris pseudacorus), dallo Zigolo dicotomo (Fimbristillys dichotoma) e da altre specie.
Lungo le sponde, con una certa frequenza, si riscontra l'Ortica comune (Urtica dioica), l'Angelica
(Trochiscanthes nodiflora), il Vilucchione bianco (Calystegia sepium), la Canapa acquatica (Eupatorium cannabinum), l'Equiseto (Equisetum telmateja) e abbondanti fasce di Rovi (Rubus ulmifolius) e Canna comune (Arundo donax), vegetazione nitrofila (che cresce bene in ambiente ricco di azoto assimilabile) favorita anche dalle concimazioni alle colture agrarie circostanti.
Occorre inoltre rilevare la presenza di frammenti dell'antico bosco originario (planiziale) a Salice bianco (Salix Alba), nei pressi delle sorgenti Quadare.
Nel complesso, la Riserva, malgrado gli eccessivi prelievi idrici realizzati nel passato, mantiene aspetti floristico-vegetazionali di notevole interesse e costituisce, assieme alla limitrofa zona palustre denominata la Gurna, l'unica zona umida rimasta lungo il litorale Ionico, dalla foce del Simeto a Messina. Questi ambienti rappresentano gli ultimi lembi dell'antico pantano del Lago di Mascali, che si estendeva, fino al secolo scorso, lungo tutto il litorale che corre da Riposto a Fiumefreddo.

Dal punto di vista geologico e  litologico, l’area del Fiumefreddo è interessata dalla presenza di rocce vulcaniche generalmente poggianti su un substrato sedimentario rappresentato da argille.
La zona La zona del fiume è caratterizzatta da affioramenti sedimentari in cui si hanno importanti manifestazioni sorgentizie a breve distanza dalla costa. L’emergere di cospicui deflussi sotterranei avviene al contatto con le argille del substrato sotto forma di varie polle, alcune delle quali di portata elevata, esse, infatti, sono rappresentate, oltre che dalla sorgente «Capo d’acqua» localizzata nella parte a monte della riserva soprattutto dalle caratteristiche sorgenti «Caldare Fioroni» (o Quadare) situate nella parte a valle a breve distanza dalla costa.
In epoche passate quando il fiume aveva portate più copiose si contavano quattordici «Quadare», adesso se ne osservano solo tre di cui una di dimensioni più evidenti con oltre sei metri di profondità. Da immersioni effettuate si é potuto notare che le «Quadare» hanno una forma a cono rovesciato con l’estremità rivolta in basso. Inoltre si è osservato che all’estremità inferiore sono presenti diversi cunicoli  alla cui origine sono poste le sorgenti vere e proprie. Il nome «Quadare» deriva da un fenomeno di «ebollizione» dovuto al flusso vorticoso dell’acqua a causa dell’elevata portata di falda, osservabile soprattutto nei mesi invernali in cui la portata è massima. L’habitat di queste sorgenti è caratterizzato dalla copiosa presenza di piante di Papiro (Cyperus papyrus siculus), Salice bianco (Salix alba) e Pioppo (Populus alba), sono inoltre osservabili ultimamente con maggiore frequenza, oltre al Tarabusino (Ixobrycus minutus) e la Gallinella d’acqua (Gallinula chloropus), passaggi di Aironi cenerini (Ardea cinerea) e Aironi rossi (Ardea purpurea).

Le passate attività di bonifica di inizio secolo e le successive attività edilizie a partire degli anni '60, hanno determinato un drastico restringimento dell'ecosistema della zona umida costituente il cosiddetto Lago di Mascali, che originariamente si estendeva lungo il litorale ionico, da Riposto a Fiumefreddo.
Gli eccessivi prelievi idrici effettuati a monte dell'area protetta, abbassando il livello della falda freatica,  determinano notevoli squilibri e,  a volte, nei mesi estivi, anche il prosciugamento di una delle sorgenti principali (Testa dell'Acqua). Nell'attuale assenza della competente Autorità di Bacino, l'Ente gestore della Riserva naturale ha intrapreso una serie di iniziative al fine di ristabilire le condizioni di equilibrio idrogeologico dell'ecosistema fluviale protetto.
E ancora, attività umane con impatti rilevanti nell'area protetta sono quelle scaturenti dall'esercizio di una agricoltura svolta in forma intensiva in buona parte della zona di preriserva interessando parzialmente anche gli argini del fiume (Orto-floricoltura da pieno campo e in serre).
Infatti l'attività agricola, che in senso lato è elemento positivo di salvaguardia del territorio, nel caso in specie, con l'uso massiccio di prodotti chimici  per la concimazione del terreno (fertilizzanti chimici) e per la difesa delle  coltivazioni (pesticidi) in un'area relativamente ristretta, rappresenta una fonte di inquinamento ambientale.
In  articolare, oltre ad inquinare le acque di falda e del fiume, i fertilizzanti chimici causano alterazioni agli equilibri della vegetazione presente lungo le rive, favorendo specie invasive (vegetazione nitrofila) a scapito della vegetazione originale (vegetazione ripariale).
In tal senso l'Ente gestore è impegnato a divulgare e favorire nell'area protetta tecniche di agricoltura più rispettose dell'ambiente (Agricoltura sostenibile).