I laghi occupano il fondo di una conca legata all'attività dell'antico vulcano sabatino, attivo tra 600.000 e 400.000 anni fa. Una depressione ancora più marcata di quel che oggi appare allo sguardo, se è vero che la profondità delle acque di Bracciano arriva fino a 165 metri al di sotto della superficie. Nei boschi collinari l'albero più diffuso è il castagno, probabilmente introdotto dai romani, ma non mancano faggete d'alto fusto di grande bellezza come quelle di Oriolo e del monte Termine.
L'ambiente più ricco però è naturalmente quello dei laghi. Vasto oltre 57 chilometri quadrati, quello di Bracciano occupa una conca legata all'attività dell'antico vulcano sabatino. Più piccolo e appartato quello di Martignano.
I laghi costituiscono sul piano faunistico l'elemento maggiormente caratterizzante, con presenze invernali di migliaia di uccelli acquatici, il cui numero è aumentato nettamente dopo l'estensione del divieto di caccia all'intero specchio d'acqua. Se prima infatti gli uccelli acquatici si concentravano quasi esclusivamente nell'ansa di Trevignano, denominata "Le Pantane", unica area preclusa all'attività venatoria, oggi è possibile osservare gruppi di anatre e folaghe un po' ovunque.
Nel corso del 2000 e del 2001 sono stati superati i 10.000 uccelli acquatici, soglia limite per la individuazione delle zone umide di importanza internazionale ai sensi della convenzione di Ramsar Val la pena sottolineare come il complesso dei due laghi di Bracciano e Martignano, per la presenza di uccelli acquatici svernanti, risulti inferiore nel Lazio al solo parco nazionale del Circeo.
Un'indagine del 2002 ha rilevato 159 specie di uccelli, di cui 83 non-passeriformi e 76 passeriformi; 72 specie sono sicuramente nidificanti. Tra le più significative sono la folaga, il moriglione, lo svasso piccolo e non mancano specie meno frequenti come il fistione turco, la moretta tabaccata, la pesciaiola, la strolaga mezzana. Legata a passate introduzioni è invece la presenza del cigno reale, che costruisce grandi nidi presso le sponde del lago di Bracciano. Tra le specie ornitiche che frequentano i boschi collinari vanno segnalati nibbio bruno, picchio rosso minore, sparviere, rigogolo, allocco. Pascoli e coltivi sono gli habitat preferiti, tra gli altri, da quaglia, succiacapre, gruccione, zigolo nero e strillozzo.
Tra i mammiferi va innanzitutto sottolineata la presenza accertata di gatto selvatico, lepre italica e ben 12 specie di pipistrelli; e quindi quella di tasso, puzzola, martora, ghiro, moscardino, naturalmente volpe e nutria e cinghiale. Presenti in alcuni esemplari daino e muflone, introdotti negli anni passati nelle ex aziende faunistico-venatorio.
L'erpetofauna conta tra gli altri salamandrina dagli occhiali, rospo smeraldino, colubro di Esculapio. L'ittiofauna, luccio, persico reale, scardola e rovella.
Inserito nel tipico contesto collinare vulcanico dell'Italia centrale, il territorio del parco presenta una notevole varietà ambientale legata da un lato alla ricchezza e varietà dei grandi ecosistemi d'acqua dolce, dall'altro alla presenza di una successione vegetazionale pressochè completa che dalla macchia mediterranea si spinge sino alla faggeta. Grazie al clima relativamente ricco di piogge ed umido ed ai fertili suoli vulcanici, è possibile incontrare in rapida sequenza l'intera gamma delle foreste di latifoglie. La presenza dei laghi e della vegetazione ripariale aggiunge ulteriore ricchezza alla varietà, determinata dall'integrazione tra la vegetazione naturale ed il mosaico dei coltivi. I boschi occupano circa 6.000 ettari, poco meno del 40% della superficie del parco.
È in via di definizione uno studio organico sulla flora, che certamente confermerà i valori ambientali e la valenza degli ecosistemi acquatici che influenzano notevolmente il numero delle specie vegetali presenti nel territorio protetto. I soli dati disponibili sono relativi ad aree campione più o meno estese. Il più ampio è certamente quello relativo ai circa 900 ettari della tenuta di Vicarello, situata nel settore nord ovest del parco, dove sono state reperite ben 480 specie vegetali.
Il distretto vulcanico sabatino entra in attività circa 600.000 anni fa, in corrispondenza di una vasta area pianeggiante delimitata ad ovest dai monti della Tolfa e dai rilievi del complesso cerite-manziate (la cui attività si era appena esaurita) e ad est dai rilievi sedimentari calcarei del Soratte e dei monti Cornicolani.
L'attività si è esaurita intorno ai 40.000 anni fa ed i centri di emissione furono numerosi, caratterizzati in prevalenza da attività esplosiva con produzione di tufi e pozzolane. L'azione distensiva delle faglie regionali conseguente al processo di apertura del mar Tirreno ha determinato il collasso vulcano-tettonico per svuotamento della camera magmatica, provocando la formazione di profonde conche nelle quali sorgono attualmente i laghi.
Le quote attuali dei rilievi toccano l'apice coi 611 metri del monte Rocca Romana.
