Il territorio del parco si compone di due paesaggi alquanto diversi tra loro. Il primo è rappresentato nell'area cosiddetta del Quarto, nel settore meridionale. Qui si estendono colline arrotondate costituite da flysch, una roccia sedimentaria ricca in argilla e perciò con suoli inadatti alle coltivazioni. Boschi di caducifoglie e pascoli ricchi di arbusti spinosi sono gli ambienti dove si muovono allo stato brado le vacche maremmane. L'altro paesaggio ancor più caratteristico del Parco è quello dei Valloni, forre scavate nel tufo dai corsi d'acqua – il Biedano e i suoi affluenti - nel settore settentrionale dell'Area Protetta.
L'ambiente più caratteristico del parco, quello delle forre tufacee, è solcato da corsi d'acqua ancora abbastanza puliti per consentire la presenza di specie esigenti come il gambero e il granchio di fiume. Vive qui anche la salamandrina dagli occhiali, un piccolo anfibio che trascorre buona parte delle ore diurne sotto le rocce o nella lettiera di foglie del sottobosco non lontano dalle sponde. Di tassi, cinghiali ed istrici non si rinvengono generalmente che le orme o altri piccoli segni di presenza, come ciuffi di peli o aculei. Ancora più difficili da avvistare sono altri mammiferi come la puzzola e il moscardino, mentre la regina degli habitat fluviali, la lontra, è scomparsa ormai dagli anni Settanta del secolo scorso. Da citare anche carnivori rari come il gatto selvatico. Tra gli invertebrati ne citiamo appena alcuni: sciami di effimere che compaiono nei mesi estivi, plecotteri le cui larve vivono nell'acqua, libellule dalla livrea sgargiante e il nome altisonante come damigelle e libellule imperatore. Nel bosco della Bandita, ricco di grandi alberi e abbondante necromassa (tronchi morti in piedi e a terra) vivono il grande cerambicide delle querce e il cervo volante: due grandi coleotteri di interesse comunitario.
Tra gli uccelli frequentano i piccoli canyon del Parco di Marturanum il falco pellegrino e il martin pescatore, mentre nei boschi si riproducono il picchio rosso minore, lo sparviere e la cincia bigia. Autunno e inverno sono le stagioni della beccaccia, mentre il picchio verde e il rosso maggiore sono stanziali. Segnalati anche uccelli notturni come l'assiolo e il succiacapre. Nelle zone aperte dei pascoli è possibile avvistare l'averla piccola e la capirossa insieme a occhioni, ghiandaie marine e rapaci tra cui il biancone, il nibbio reale e il falco pecchiaiolo; tra i passeriformi, non mancano rarità quali la tottavilla e il calandro.
Sono querce come la roverella e soprattutto il Cerro a comporre i boschi di caducifoglie che occupano il settore del Quarto, spesso rivestendo interi versanti collinari e preceduti da boscaglie pioniere che tendono a chiudere gli spazi dei pascoli aperti. Al di sotto delle querce è presente talvolta un secondo strato arboreo, rappresentato da specie di minori dimensioni quali l'orniello, l'acero minore e l'acero campestre. Nel sottobosco crescono biancospini, caprifogli, la berretta del prete dai curiosi frutti color porpora e arancio, asparagi selvatici. In aree caratterizzate da ristagno d'acqua s'incontrano boschetti di frassino meridionale, accompagnato dal sempre più raro olmo.
Quanto ai valloni tufacei, ospitano una comunità vegetale sorprendente soprattutto per la limitata estensione di tali ambienti. La ragione sta nei fattori climatici, in particolare l'umidità, che condizionano la presenza di specie come il faggio normalmente presente a quote ben maggiori (oltre i 1000 m, mentre qui s'incontra a 200-300 m). Il fondo delle forre ospita boscaglie di nocciolo e, presso i corsi d'acqua, di ontano nero, pioppo nero, salice bianco. Sulle ripide pareti si arrampicano contorti lecci, bagolari e fichi.
Ampie superfici dei pascoli sono invase da cespuglieti, formati da rosacee quali il biancospino, il prugnolo, il pero mandorlino e varie specie di rosa selvatica. Prati e pascoli, generalmente derivati dal disboscamento, sono ricchi di piante erbacee annuali e perenni, tra cui orchidee come la rara Limodorum trabutianum. Anche le aree archeologiche del parco, infine, ospitano comunità vegetali peculiari con boschetti di roverella sulla sommità delle tombe a tumulo, lingue cervine negli anfratti più bui, bulbose a fioritura primaverile quali ciclamini e anemoni, tappeti di edera.
In sintesi, le specie censite nel parco sono circa 960.
Il territorio del parco è situato tra il distretto vulcanico cimino-vicano a nord-est, formatosi nel corso del Pleistocene (a partire da circa 1,64 milioni di anni fa), e i rilievi dei monti della Tolfa a sud-ovest. Su un substrato calcareo di origine sedimentaria, di origine meso-cenozoica, poggiano banchi di tufo rossastro con tipiche scorie scure: è il cosiddetto tufo rosso a scorie nere, in cui l'approfondimento del reticolo idrografico formato dai torrenti Biedano, Vesca e loro affluenti ha prodotto la formazione di alte scarpate.
