I monti della Riserva appartengono al gruppo del Velino, di cui costituiscono il settore più occidentale. Le vette non sono elevatissime e si attestano attorno ai duemila metri: più elevati ma di poco sono il monte Morrone, coi suoi 2.141 m e il Murolungo che raggiunge i 2.184 m.
Di eccezionale interesse, la fauna della Riserva annovera tutte le specie più note e caratteristiche dell'Appennino centrale - con l'eccezione del camoscio - tra cui il lupo (con una presenza stimata di un nucleo di alcuni esemplari), il capriolo, il cervo (reintrodotto nei primi anni '90 nella vicina riserva del Monte Velino, oggi parte del Parco Regionale abruzzese del Sirente-Velino), il gufo reale, l'aquila reale (nidificante nel limitrofo territorio abruzzese), la vipera dell'Orsini e, seppure riscontrato solo sporadicamente, l'Orso marsicano.
La diversità di habitat e la contiguità con altre zone montane poco disturbate rendono possibile la presenza di specie tipiche delle praterie alto-montane, dei boschi montani di latifoglie decidue e dei boschi collinari. Tra i rapaci legati a questi ambienti si segnalano l'astore, lo sparviere e il lodolaio (Falco subbuteo). Inoltre sono presenti il picchio dorso bianco, la coturnice e – con una piccola popolazione recentemente individuata – il fringuello alpino. Frequentano gli ambienti rupicoli, tra gli altri, il falco pellegrino, il lanario e il corvo imperiale. Da una decina d'anni si è aggiunto come nidificante pure il grifone, introdotto dal Corpo forestale sul massiccio del Velino.
Di osservazione frequente il cinghiale e, in minor misura, lo scoiattolo. Più difficile avvistare piccoli mammiferi quali arvicole delle nevi, quercini, ghiri e toporagni. Alcune segnalazioni riguardano pure altre due specie estremamente elusive, quali il gatto selvatico e la martora. Nelle acque del lago della Duchessa vive una popolazione consistente ma isolata di tritone crestato. Infine, da segnalare il piccolo nucleo di parrocchetto dal collare (Psittacula krameri) insediatosi da alcuni anni presso il centro abitato di Corvaro.
Le formazioni boschive occupano il 56% dell'Area Protetta. Dalle quote più basse (piano collinare) fino al limite superiore del bosco (piano alto-montano, tra 1650 e 1750 m circa) si susseguono diversi tipi di bosco: si va dai querceti misti per arrivare alle faggete miste e pure. Talvolta, come nella parte sommitale del Vallone della Cesa e in località Coppo dei Ladri, si trovano lembi di faggeta con piante secolari sopravvissute ai tagli del bosco.
Per il resto si tratta di estensioni di faggio sottoposte a tagli intensi e irregolari, generalmente cessati negli anni Sessanta del secolo scorso per l'abbandono delle pratiche silvicolturali. Nelle radure delle faggete più elevate si rinvengono piante erbacee che danno luogo a fioriture straordinariamente colorate: il giglio martagone, il giglio di San Giovanni, le fritillarie e molte orchidee.
Le specie di piante vascolari censite nel territorio della riserva sono circa 500, almeno 66 delle quali di particolare interesse scientifico perché rare o endemiche. Tra queste ultime meritano una segnalazione la peonia selvatica, l'aglio sottile, l'uva ursina e diverse varietà di carici, la primula orecchia d'orso, la genziana appenninica e l'adonide distorta.
Di natura calcarea (i geologi parlano di litotipi calcarei ed arenacei di età meso-cenozoica), i Monti della Duchessa formano uno dei complessi idrografici più importanti d'Italia dando vita alle sorgenti del Peschiera, da cui si alimenta il principale acquedotto che rifornisce Roma.
Assai evidenti anche le testimonianze dell'epoca glaciale, come nel circo di Capo Bove e nelle estese morene, oltre naturalmente al bacino del lago della Duchessa. Posto a circa 1.800 metri di quota e rifornito dalle sole acque piovane, lungo 400 metri e largo al massimo 150, quest'ultimo occupa una depressione scavata dalla testa dell'antico ghiacciaio.
Ai margini occidentali dei rilievi della Riserva si estende la piana di Corvaro, depressione sede di deposizione continentale dal Pliocene medio-superiore al periodo attuale. Proprio verso la piana si aprono le profonde incisioni della valle Amara, della valle dei Confini, della valle della Cesa, del vallone di Fua e di quello di Teve, imponente frattura che separa dal vicino massiccio del Velino e segna il confine tra il Lazio e l'Abruzzo.
Tra le più singolari manifestazioni del carsismo nell'Area Protetta va segnalato il Cau di Cartore, dolina profonda dai venti ai trenta metri interamente rivestita di bosco.
