Quelli compresi nell'Area Protetta sono duecento ettari dell'altura forse più nota della città, sette colli a parte, anche perché vicina al Tevere e al Vaticano. Appena 139 metri di quota per un prezioso polmone verde tra gli edifici di quartieri come il Trionfale e la Camilluccia, a ridosso degli uffici del Tribunale e del complesso del Foro Italico. Qui la macchia mediterranea ha dovuto fare i conti, nel corso dei secoli, con numerose specie introdotte dall'uomo e la boscaglia risultante è una distesa verdeggiante di lecci, sughere, aceri, carpini, macchie di cisti e cornioli ma anche pini, alberi di Giuda, ginestre, cipressi. Questi ultimi li cantò anche il Carducci, che li vide in occasione di una visita alla Capitale: "Solenni in vetta a Monte Mario stanno / nel luminoso cheto aere i cipressi / e scorrer muto per i grigi campi / mirano il Tebro, / mirano al basso nel silenzio di Roma / stendersi e, in atto di pastore gigante / su grande armento vigile, davanti / sorger San Pietro". Una fauna discreta comprende moscardini e piccoli passeriformi, entrambi prede del gheppio.
La ricchezza della vegetazione ha favorito la presenza di una grande varietà di animali selvatici. Tra gli uccelli: il picchio rosso maggiore, la ballerina bianca, la cinciallegra, il beccamoschino –presenti in tutte le stagioni– oltre al cuculo, l'averla piccola e il gruccione, uccelli migratori presenti nel periodo primaverile estivo. Tra gli uccelli notturni l'allocco, la civetta e l'assiolo. Talvolta può capitare anche di avvistare il gheppio, alla ricerca di piccole prede. La Riserva di Monte Mario è inoltre frequentata dalla volpe, dalla donnola, dal riccio e dall'istrice.
In sintesi, sono riconoscibili cinque tipologie vegetazionali. Il primo è il bosco di natura antropica, frutto cioè della presenza umana, che ha mutato il volto del colle a partire già dal XV secolo. Esso è costituito essenzialmente dal pino domestico e dal pino marittimo, oltre che dalle robinie nordamericane e dai cipressi. Quanto alla vegetazione mediterranea, risulta presente laddove non è giunta l'azione dell'uomo. Si incontrano in questi ambiti lecci e sughere, alloro e viburno, filliree, cisti, lentisco ed erica arborea, nonché molte altre specie caratteristiche della macchia. Il bosco misto occupa invece le pendici del colle sui versanti ad esposizione più fresca. Le essenze più importanti sono il carpino nero, l'albero di Giuda, l'acero campestre, la roverella, il corniolo e il nocciolo. Degno di segnalazione è l'unico esempio cittadino di macchia a carpino orientale sulle pareti esposte ad est, visibile percorrendo il ripido viale che conduce all'Osservatorio Astronomico. Esempi di vegetazione igrofila sono presenti invece nelle umide zone di impluvio: le specie che vivono in questo particolare tipo di ambiente hanno infatti una grande necessità di acqua che vi si raccoglie grazie a particolari caratteristiche morfologiche e litologiche del terreno. Tra le specie igrofile più frequenti vi sono pioppi e salici bianchi. Infine, i ginestreti che, dominati dalla ginestra comune -dalla caratteristica fioritura gialla tardo-primaverile- segnano il limite del bosco e si estendono negli spazi aperti.
Monte Mario è uno dei luoghi di Roma di maggior interesse scientifico per le sue caratteristiche geologiche. L'area è caratterizzata dalla predominanza di sedimenti marini di età pliocenica, che rappresentano i terreni più antichi affioranti nell'area del Comune di Roma, ricchi di conchiglie fossili e oggetto di studio fin dai tempi di Leonardo durante il suo soggiorno romano tra il 1513 e il 1516, quando in compagnia dei discepoli si recava "a cercar li nicchi a Monte Mario". La stratigrafia presenta una potente serie di argille e marne (Marne Vaticane), con spessori di circa 800 metri, sormontata da sabbie e argille fittamente alternate (Unità di Monte Mario).
