I paesaggi del Parco sono di tipo spiccatamente pre-appenninico, dove però la vicinanza del mare ha concorso alla formazione e alla coesistenza di biotopi particolari, determinati da microclimi differenziati a causa di esposizioni diverse. L'imponente aspetto del rilievo dominante la Campagna Romana, la Sabina e l'agro tiburtino contrasta con il paesaggio interno, caratterizzato dalla successione di rilievi modesti intercalati da pianori carsici e vallecole pascolive. Più aspro e rupicolo il paesaggio del settore sud-orientale.
Nel territorio del Parco nidifica una coppia di aquile reali, occupanti il nido più vicino a Roma che si conosca. Altri rapaci presenti sono il falco pellegrino, lo sparviero, il pecchiaiolo, i più comuni gheppio e poiana. Nelle aree sommitali un incontro fortunato è quello con piccole brigate di coturnici, mentre gli habitat forestali ospitano picchi rossi maggiori e picchi muratori, rigogoli, cuculi. Tra i mammiferi il lupo è segnalato sporadicamente, mentre è costante la presenza di volpi, tassi, cinghiali e istrici e almeno cinque specie di pipistrelli. I laghetti di Percile, i fossi e i fontanili sono l'ambiente preferito da numerosi anfibi tra cui la salamandrina dagli occhiali, il tritone crestato e il tritone punteggiato, l'ululone appenninico. Tredici le specie di rettili censite finora, tra cui la testuggine comune e il saettone. In alcuni corsi d'acqua è segnalato il bel gambero di fiume, indicatore della qualità ambientale e sempre più raro nei fiumi del Lazio.
La vegetazione del Parco è ricca e varia, grazie alle diversità climatiche e all'intreccio di specie a provenienza mediterranea, centroeuropea e balcanica: ne è un buon esempio lo storace, dai delicati fiori bianchi e simbolo stesso del Parco. Ma a primavera e in estate non è difficile incontrare lungo il cammino anche gigli martagoni, zafferanastri gialli, orchidee. I boschi rivestono il 70% del parco ma solo in minima parte si tratta di fustaie, per esempio alla valle Cavalera dove si trovano i faggi più maestosi. Poco più in alto, affacciati sullo spettacolare Pratone di Monte Gennaro, fanno bella mostra anche alcuni esemplari di acero di dimensioni davvero ragguardevoli.
La flora dei Lucretili fu indagata tra i primi da Federico Cesi (1585-1630), tra i fondatori della prima accademia scientifica del mondo moderno, l'Accademia dei Lincei.
Montagne calcaree come il resto dell'Appennino laziale-abruzzese, i Lucretili offrono il consueto spettacolare campionario di paesaggi tipico della morfologia carsica: ampi pianori (Pratone di monte Gennaro), doline (due delle più grandi sono oggi occupate dai Lagustelli di Percile), solchi e altre caratteristiche forme erosive. Le pareti più aspre sono quelle del Morra o del Fosso della Scarpellata, mentre altrove come a monte Pellecchia dominano il paesaggio ampie e arrotondate dorsali. La successione stratigrafica del gruppo è costituita in massima parte da formazioni sedimentarie di origine e di ambiente marino, depositatesi a partire da circa 200 milioni di anni fa nell'antico oceano mesozoico. L'orografia dell'area rispetta l'allineamento appenninico generale con asse nord-sud, e rappresenta sostanzialmente un territorio costituito da tre corrugamenti montuosi principali separati in modo più o meno netto da sistemi di faglie su cui si sono impostate incisioni torrentizie.
