Già in epoca romana il colle ospitava le ville residenziali di poeti e nobili ed era attraversato dagli eserciti di ritorno dalle campagne militari lungo la via Trionfale che ospitò in seguito i pellegrini che si recavano a Roma, divenendo l'ultimo tratto della via Francigena, il percorso medievale cha da Canterbury giungeva a San Pietro e ancora più a sud, a Gerusalemme. Dell'area fanno parte ville storiche tra cui Villa Mazzanti, sede di RomaNatura e Villa Mellini, sede del celebre Osservatorio Astronomico.
Il territorio della Riserva di Monte Mario, luogo strategico per l'ingresso da nord verso la città di Roma, sorge al di là del Tevere, confine naturale tra Latium vetus e mondo etrusco. Si erge lungo il corridoio commerciale tra l'Antica Veio, storica rivale di Roma ed il mare. Non è un caso dunque che in questa area pochissimi siano gli insediamenti di epoca romana. La principale struttura archeologica romana, l'antica via Trionfale, prende il nome dalla funzione di via di ritorno delle legioni reduci dalle spedizioni militari a nord di Roma.
Con l'avvento del papato l'antica via Trionfale divenne uno dei percorsi privilegiati di accesso dei pellegrini verso Roma, lungo quella che venne definita la via Francigena.
Dal Rinascimento divenne sede di ville suburbane destinate ad ospitare aristocratici e legati pontifici in visita a Roma e successivamente grandi artisti e letterati sulla via del "Grand tour" alla scoperta delle bellezze della città eterna.
Ancora nella seconda metà dell'Ottocento, dopo il trasferimento a Roma della capitale d'Italia (1870-1) il ruolo strategico dell'area fu motivo della costruzione di una serie di strutture difensive in previsione di un possibile attacco della Francia, alleata e protettrice del Papa. Fu così che lungo il versante di Monte Mario venne costruito dall'esercito italiano un vallo militare, punteggiato di casematte, tuttora esistente, anche se parzialmente ricolonizzato dalla vegetazione. Sulla sommità del monte, in prossimità della via Trionfale, fu edificato il Forte di Monte Mario, struttura di notevole interesse storico-documentario e non priva di suggestioni architettoniche, purtroppo in grave stato di abbandono.
Sul crinale di Monte Mario è anche il cimitero militare francese, che ospita i caduti della Grande Guerra.
Vista la posizione unica dell'Area Protetta, a ridosso del cuore di Roma, non sorprende la grande ricchezza di beni culturali. La riserva è l'unica nel panorama nazionale a poter vantare – per citare subito il maggior vanto di natura culturale – uno dei capolavori di un protagonista assoluto della storia dell'arte di tutti i tempi, vale a dire Raffaello. Fu proprio lui a progettare Villa Madama, sulle pendici di Monte Mario. A breve distanza altre dimore storiche impreziosiscono la riserva. L'ottocentesca Villa Mazzanti, realizzata in stile neo-rinascimentale, ospita la direzione di RomaNatura. Restaurata negli anni Novanta del secolo scorso, ha un bel loggiato nel piano superiore con affreschi a tema naturalistico. Poco più in alto s'incontrano il noto ristorante panoramico "Lo Zodiaco" (magnifici gli scorci sulla cupola di San Pietro e buona parte della città storica) e l'Osservatorio Astronomico, ospitato nella quattrocentesca Villa Mellini, con le sue piccole cupole argentate che dominano il verde della collina. Oltre a un telescopio fisso alto 34 metri, l'osservatorio contiene una biblioteca di oltre 20.000 volumi tra cui preziosi testi astronomici antichi: è inoltre sede del Museo Astronomico e Copernicano. Numerose le osservazioni di grande interesse fatte proprio qui, ma tutte risalenti al passato: oggi l'attività scientifica è stata quasi del tutto trasferita alle sezioni di Monte Porzio Catone, ai Castelli Romani, e di Campo Imperatore sul Gran Sasso. Altre lussuose dimore, come Villa Miani e Villa Stuart, sono oggi sede di ricevimenti o di proprietà privata. La chiesa di Santa Maria del Rosario, costruita attorno alla metà del Seicento, ha ospitato nell'attiguo piccolo convento per quasi cinque anni il compositore Franz Liszt, che vi compose il suo Christus.
