Il paesaggio del Parco è caratterizzato da un articolato mosaico di aree boscate, rilievi collinari con pascoli, vigneti e oliveti, conche lacustri (Lago Albano e Lago di Nemi), aree urbanizzate, centri storici e aree archeologiche.
In passato, nel territorio potevano essere riconosciute distintamente diverse fasce vegetazionali tipiche dell’Italia centrale distribuite sul territorio in senso altitudinale. Infatti sul fertile terreno vulcanico, con un clima particolarmente mite e relativamente umido, si originarono grandi foreste miste di faggi, querce, tigli, aceri, carpini, frassini, lauri, noccioli e numerose altre specie legnose, che sino al XVI secolo coprirono parte dei rilievi. Nelle zone più calde e asciutte, generalmente su versanti esposti a sud, vi erano comunità dominate da piante sempreverdi (leccio e sughera), mentre nelle zone più fresche ed umide si estendevano comunità formate da latifoglie mesofile (boschi misti) e da faggete (nelle aree più in quota).
Nell’ambito di ciascuna fascia vegetazionale si è assistito nel corso del tempo al prevalere delle specie coltivate sulla vegetazione naturale: le leccete e i boschi di roverella sono stati sostituiti dai vigneti ed oliveti, mentre, ad altitudini superiori, il bosco misto di latifoglie decidue e la faggeta sono stati convertiti in castagneti cedui. L’introduzione della coltivazione del castagno e lo sviluppo della viticoltura e dell’olivicoltura, congiuntamente all’incremento della pastorizia, determinarono la messa a coltura di nuove terre attraverso l’espianto delle foreste originarie, al punto tale che oggi quest’ultime sono rappresentate solo da piccoli lembi boschivi residuali (il Cerquone, il Bosco dei Cappuccini, il Parco Chigi, il bosco del Ferentano, il parco Colonna, le coste dei laghi Albano e Nemi, le sommità di Monte Cavo e del Maschio d’Ariano, la Macchia dello Sterparo e la Selva Rustica).
Il castagneto è la forma di vegetazione più diffusa nel paesaggio dei Castelli Romani, rappresentato prevalentemente da boschi cedui monospecifici di castagno (Castanea sativa), periodicamente soggetti a taglio ogni 18-20 anni. I castagneti dei Colli Albani sono il risultato di modificazioni operate dall’uomo, in tempi relativamente recenti, sulla composizione delle cenosi forestali originarie favorendo il castagno con interventi selettivi, a sfavore delle altre specie legnose, e con impianti diretti a partire dal secolo XVIII sia ai fini alimentari, sia in funzione della viticoltura (per costruire vasi vinari e pali per tendere i filari delle viti). Gli attuali castagneti sono quindi il prodotto di interventi operati nell’ambito di un bosco mesofilo originario, ascrivibile al cingolo Quercus-Tilia-Acer, in cui comunque, il castagno ha trovato il suo optimum ecologico. Nelle zone più impervie, di difficile accesso, il castagno tende a perdere il suo ruolo di specie dominante ed è possibile trovare ancora nuclei forestali di composizione mista.
Del bosco misto mesofilo restano ancora evidenti testimonianze. Rilevante, per il suo valore naturalistico è il bosco del "Cerquone" (Cerquone-Doganella) in cui dominano, a livello dello strato arboreo, esemplari maestosi di farnia e di cerro. Si tratta di un consistente lembo di foresta temperata decidua a farnia (Quercus robur) e carpino bianco (Carpinus betulus) di affinità padano-centroeuropea.
Delle faggete originarie che, prima della massiccia introduzione del castagno, si estendevano nelle zone montane più elevate (oltre gli 800 m slm) del territorio dei Colli Albani, oggi rimangono solo dei nuclei residuali su Monte Cavo (Rocca di Papa) e sui monti dell’Artemisio (Velletri). Sulla cima di Monte Cavo (949 metri s.l.m.) vi sono pochi faggi isolati, molto vecchi e di grandi dimensioni, che sfiorano addirittura i 20 metri di altezza. Sul Complesso dell’Artemisio, lungo il versante NO, più freddo ed umido, permangono ancora dei lembi di faggeta sul crinale del Monte Artemisio (812 m slm); invece, sulla vetta del Maschio d’Ariano (891 m s.l.m) e sul Monte Peschio (939 m s.l.m) si trovano solo isolati esemplari arborei.
Lungo i versanti acclivi delle conche lacustri dei laghi Albano e di Nemi si rinvengono leccete miste a Quercus ilex e caducifoglie che costituiscono un aspetto di transizione tra le formazioni a prevalenza di sclerofille sempreverdi mediterranee ed i boschi di caducifogli mesofili e submesofili.
Le cenosi arbustive più diffuse sul territorio sono i cespuglieti a Cytisus scoparius (ginestra dei carbonai) e i cespuglieti a Spartium junceum (ginestra odorosa): i primi costituiscono uno stadio di degradazione o di recupero dei boschi misti mesofili del Vulcano Laziale, mentre i secondi rappresentano invece una fase di degradazione o di recupero delle cenosi forestali più termofile dell’area.
Le cenosi erbacee sono rappresentate principalmente da: pascoli xerofili localizzati principalmente sui versanti esposti a sud dei colli Albani e caratterizzati da un elevato contingente di specie tipiche dei pascoli aridi; prati e prati-pascoli mesofili che si estendono prevalentemente nell’area pianeggiante compresa fra il recinto Tuscolano-Artemisio ed il recinto delle Faete (Piani di Caiano, La Doganella, Vivaro, il Pratone), a copertura continua, per lo più migliorati e che di norma vengono falciati e/o pascolati.
