Tra gli habitat naturali particolarmente meritevoli di citazione spiccano le forre fluviali tufacee e le formazioni riparali, oggi protette da un Sito di Interesse Comunitario (SIC), e i boschi collinari, dove è possibile ammirare le querce della Lega, due esemplari vetusti di circa 400 anni. Tra i boschi, nei prati e tra gli estesi pascoli non è raro ammirare fioriture legate ad una enorme varietà di piante da fiore, soprattutto orchidee spontanee, ma non mancano particolarità quali alcune specie di felci particolarmente rare. Importante la componente faunistica della biodiversità locale.
La notevole varietà morfologica ed ambientale del territorio si riflette sul popolamento faunistico che sorprende per la sua diversità, annoverando diverse specie di interesse.
I numerosi corsi d'acqua e le zone umide ospitano tra gli anfibi urodeli il tritone punteggiato e il più raro tritone crestato, come pure la salamandrina dagli occhiali. Tra gli anfibi anuri spiccano due rane rosse, la rana italica e la rana dalmatina, nonché la non comune raganella italiana. Tra le specie legate ai corsi d'acqua si segnalano anche il granchio di fiume, il mollusco bivalve unione (Unio mancus), specie indicatrice di buona qualità delle acque, ed una varia ittiofauna tipica dei corsi d'acqua collinari e pedemontani caratterizzata da rovella, cavedano, vairone. Tra gli invertebrati, particolarmente varia risulta la fauna ad odonati (libellule), con presenza di ben 29 specie nel territorio della riserva sulle 57 specie presenti nel Lazio.
I rigogliosi boschi che si estendono lungo le gole fluviali e le pendici collinari sono il regno del cinghiale, mentre specie rare ed elusive come il gatto selvatico e la martora trovano rifugio tra i fitti boschi e le pareti rocciose. Più comuni l'istrice ed il tasso, che spesso frequentano i margini boscati adiacenti a pascoli e coltivi. Tra gli abitatori dei boschi si annoverano diverse specie di uccelli tra cui spiccano sparviere, picchio verde, rigogolo e scoiattolo, di recente insediamento. I boschi della riserva, nonché le zone più aperte (pascoli, cespuglieti) sono frequentati tutto l'anno dalla poiana, mentre nel periodo primaverile compaiono altre specie di rapaci quali nibbio bruno, biancone e falco pecchiaiolo. Di notevole importanza infine la presenza del nibbio reale, specie localizzata, nonché del lupo presente da tempo con una piccola popolazione nel vasto comprensorio tolfetano. Ancora riguardo ai rapaci, da segnalare negli ultimi tempi la nidificazione del falco pellegrino.
I pascoli che si estendono sulle quote collinari annoverano specie quali la lepre italica, entità endemica italiana di recente scoperta, l'occhione (nidificante), il succiacapre, l'averla piccola e l'averla capirossa, lo zigolo nero. Lungo i corsi d'acqua o lungo paretine argillose o sabbiose nidifica in colonie in gallerie scavate il variopinto gruccione. Tali ambienti, così come i boschi limitrofi, sono altresì frequentati da diverse specie di serpenti quali il cervone, il saettone, il biacco, la vipera, il colubro di Riccioli, il colubro liscio, nonché dalla sempre più rara testuggine di Hermann.
Il territorio della riserva è ricco di ruderi e rovine (come l'antico abitato di Monterano), cavità artificiali rappresentate da antiche gallerie minerarie, che oggi ospitano una fauna interessante e per certi versi sorprendente. Tra i ruderi o nei vecchi casali diroccati nidifica la ghiandaia marina, mentre d'inverno non è raro imbattersi alle rovine di Monterano nel raro picchio muraiolo dal caratteristico volo sfarfallante. Le antiche gallerie e le profonde cavità dell'antico abitato sono abitate da diverse specie di chirotteri (pipistrelli) che d'inverno cadono in fase di letargia, mentre d'estate nelle ore notturne sono alla perenne caccia di insetti come falene, coleotteri, grilli e cavallette. Tra le specie presenti si ricordano il ferro di cavallo maggiore, il miniottero ed il vespertilio maggiore.
L'estrema ricchezza del substrato geologico, in cui si alternano ampi pianori costituiti da rocce calcareo – marnose e profonde forre fluviali impostate sui terreni vulcanici sovrapposti a queste ultime, determina una sorprendente varietà morfologica e microclimatica che si riflette sulla varietà floristica e del paesaggio vegetale.
Lungo le forre in prossimità del greto fluviale si rinvengono i caratteristici boschi ripariali con ontano nero e localmente pioppo bianco e salice bianco e sui greti sassosi il salice rosso. Tra le specie tipiche del sottobosco si annoverano alcune felci come le rare felce regale (Osmunda regalis) e lonchite minore (Blechnum spicant). Sempre lungo i corsi d'acqua, ma lungo una fascia che si estende sul fondo della vallata, si estendono i boschi a carpino bianco, specie dominante a cui si accompagnano diverse altre specie forestali come il castagno e il nocciolo. Nella parte sommitale dei valloni e lungo le pendici collinari sono presenti boschi di caducifoglie a cerro con presenza anche di roverella e carpino nero in particolare sui substrati calcareo – marnosi. Per alcuni di questi boschi, in particolare quelli di maggiore interesse ecologico ed importanza per l'assetto idrogeologico, l'Ente gestore ha pagato un indennizzo economico ai proprietari per impedire il taglio previsto.
Ai margini delle zone boscate ed in diretta congiunzione con i pascoli intensamente pascolati si rinvengono cespuglieti, mentre sulle pareti verticali che dominano le forre vulcaniche si imposta un tipo di vegetazione di ambiente mediterraneo dominata da leccio e, in minor misura, bagolaro, erica arborea, fillirea e sporadicamente corbezzolo. Il territorio della riserva presenta altre peculiarità per quanto riguarda gli aspetti botanici come le formazioni a macchia di ginestra ghiandolosa (Adenocarpus complicatus), entità piuttosto rara che si accompagna alla ginestra dei carbonai, ed i popolamenti monospecifici ad erba canina (Agrostin canina ssp. montelucci) caratteristici di suoli fortemente mineralizzati presso polle di acqua stagnanti e in presenza di emissioni di anidride carbonica ed idrogeno solforato, fenomeni dovuti alla passata ed intensa attività vulcanica che ha interessato questo territorio.
Una delle aree di maggiore interesse floristico e vegetazionale del territorio della riserva è quella di Monte Angiano, dove si riscontra in un territorio circoscritto uno dei popolamenti di orchidee spontanee più ricchi del Lazio (27 specie ed 11 ibridi naturali) che comprende tra le altre Anacamptis pyramidalis, Ophrys apifera, Ophrys bertolonii, Orchis simia, Serapias lingua e Spiranthes spiralis.
Il territorio monteranese si inserisce nel quadro geologico della più vasta regione tolfetano-sabatina, della quale custodisce aspetti rappresentativi. Sui sedimenti calcarei che formano la "base" della serie geologica locale, non affioranti nel territorio monteranese, si sovrappongono i ben noti "flysch" tolfetani. Si tratta di strati sovrapposti di marne (rocce a metà strada tra calcare ed argilla), argilliti (argille trasformate in roccia), arenarie (sabbie trasformate in roccia) e calcari, originatisi tra il Cretaceo ed il Paleogene (quindi tra 90 e 60 milioni di anni fa) nell'ambito dell'antico oceano Tetide. Questi sedimenti sono poi stati "trasportati" a grande distanza dal luogo di sedimentazione, come dimostra il notevole stato di "disturbo" degli strati rocciosi (in origine orizzontali, oggi intensamente piegati e fratturati). Queste rocce di origine marina sono diffuse nel settore settentrionale ed occidentale della riserva (zone della Bandita, Monte Angiano, Monte Ciriano). Al periodo Plio-pleistocenico (tra 5 e 1 milione di anni fa) risalgono sedimenti, anch'essi di origine marina costituiti da argille, argille sabbiose con frequente presenza di lenti e cristalli isolati di gesso, presenti in alcuni limitati settori della riserva (zona di Poggio li Cioccati). I terreni marini sopra descritti nella zona orientale dell'area protetta sono coperti da terreni vulcanici prodotti dall'antico apparato sabatino (zona di Bracciano).
Tra questi i cosiddetti "peperini listati" affioranti lungo la valle del Mignone, il Fosso della Palombara e la Valle del Bicione (formati da eruzioni circa 700.000 anni fa), tufi ("Tufo di Bracciano", "Tufo Rosso a scorie nere", visibile nella zona della Greppa dei Falchi), colate laviche come quella visibile presso il casale della Palombara. Le diverse rocce hanno dato luogo a varie forme di paesaggio: ondulazioni collinari con valli fluviali ampie, con versanti a declivio dolce dove sono presenti rocce sedimentarie; valli strette con pareti verticali, dove affiorano tufi e peperini. Numerose le aree interessate da ricerche minerarie (zolfo, manganese) e le emissioni di acque mineralizzate.
