Tor Caldara costituisce uno degli ultimi lembi residui di foreste delle pianure costiere laziali, con un enorme valore documentario. Tra le specie più rappresentative di questa formazione la sughera, con splendidi esemplari, assieme al leccio, l'orniello, la farnia, il farnetto e sulle sponde di un piccolo corso d'acqua, l'ontano. Molto ricco è il sottobosco. Verso il mare, dove il bancone di sabbie e arenarie plioceniche forma una sorta di falesia, si trovano essenze pioniere come il lentisco, il mirto e lo smilace che forma densi viluppi spinosi. Al riparo delle chiome ombrose dei lecci sopravvive un popolamento della bellissima felce florida. L'area di Tor Caldara, che deve il nome ad una torre di avvistamento, ospitò un cantiere estrattivo dello zolfo che ha determinato la formazione di un vasto ambiente sterile dovuto all'accumulo dei materiali di risulta degli scavi. Divenuta con il tempo paesaggio di rara bellezza, dovuta al forte contrasto tra le nude superfici del detrito ed il verde rigoglioso del bosco, questa zona ospita i nidi del gruccione, mentre gli acquitrini stagionali attirano i limicoli, le anatre, l'airone cenerino, la garzetta e la nitticora.
Nonostante la limitata estensione e il relativo isolamento biogeografico dell'area protetta, l'intricata vegetazione e la compresenza di habitat e biotopi differenziati permettono la sopravvivenza di un popolamento faunistico ancora importante nella considerazione di un ambiente aggettivamente marginale. Scomparso dil grande patrimonio faunistico dei grandi spazi naturali del passato, devastati e trasformati in un paesaggio di cemtno, sottoposto ad una incessante attività venatoria, il mondo animale si è drasticamente ridotto in termini di biodiversità trovando, per le specie meno esigenti, rifugio proprio in questi settori protetti residuali. Gli invertebrati sono rappresentati da molte specie in relazione ai diversi habitat presenti; dai coleotteri scarabeidi come gli stercorari (Scarabeus semipunctatus) ai coleotteri buprestidi e coleotteri cerambicidi che frequentano la macchia mediterranea.
Sule fioriture di cisto non è raro osservare il Paratriodonta romana uno scarabeide endemico del litorale laziale. Gli imenotteri aculeati, come i Bembex scavano i nidi nelle pareti sabbiose e sono le prede preferite dei gruccioni che nidificano nelle stesse falesie. Il bosco con i suoi tronchi marcescenti fornisce nutrimento a specie xilofaghe, insetti che specialmente allo stato larvale si nutrono del legno in decomposizione o anche vivo, come le grandi larve dello scarabeo rinoceronte (Oryctes nasicornis).
L'erpetofauna (rettili e anfibi) è rappresentata da alcune specie che stanno vivendo una fase di vitale recupero in seguito alla riqualificazione ambientale a cui è stata sottoposta la riserva. Gli ambienti umidi, stagni, zone umide e corsi d'acqua ospitano numerose specie come la biscia dal collare (Natrix natrix), la testuggine palustre (Emys orbicularis), la raganella (Hyla arborea), la rana agile (Rana dalmatina), la rana verde (Rana esculenta) oltre al rospo comune (Bufo bufo) e il rospo smeraldino (Bufo viridis). Nel sottobosco della macchia e della lecceta vive il biacco (Hierophis viridiflavus), il raro colubro liscio (Coronella austriaca), il ramarro (Lacerta viridis), la lucertola campestre (Podarcis sicula), la lucertola muraiola (Podarcis muralis). In seguito a recuperi locali è stata reintrodotta la testuggine comune (Testudo hermanni) estinta nell'area intorno al 1970 in conseguenza del disturbo antropico operato dal campeggio.
L'avifauna che comprende specie stanziali e migratorie è rappresentata dal popolamento caratteristico delle foreste litoranee e da un nutrito contingente di migratori in quanto l'area, posta lungo le rotte migratorie impostate su uno dei corridoi tirrenici principali, costituisce un piccolo ma prezioso rifugio per la sosta. Il merlo, il pettirosso, lacapinera, l'occhiocotto, la cinciallegra, la cinciarella, il colombaccio, il verdone, lo scricciolo, il fiorrancino, il codibugnolo, il fringuello, il cardellino, lo zigolo nero, il verzellino, il luì piccolo, la cappellaccia, il rampichino, il picchio muratore sono alcune delle specie che frequentano il fitto della macchia. Durante il passo sono molte le specie che possono essere osservate: il pigliamosche, l'upupa, la tortora da collare orientale, il cuculo, l'usignolo, la beccaccia, la quaglia, le balie, il beccafico ed altre ancora. Le pareti sabbiose delle antiche dune e gli ambienti denudati delle vecchie miniere sono colonizzati dal gruccione che nidifica con una vitale e numerosa popolazione.Temporaneo ed occasionale rifugio a specie tipiche delle zone umide è offerto dai localizzati ambienti ripariali e dagli stagni; sono state osservate in questi luoghi molte specie talvolta poco comuni come il cavaliere d'Italia, l'airone rosso, l'avocetta, il tarabusino. I rapaci sono rappresentati dal gheppio, nidificante, dalla poiana e da occasionali apparizioni del falco pellegrino, del nibbio bruno e del grillaio. Alcune rarità frequentano l'area protetta come la ghiandaia marina e il merlo acquaiolo segnalato alla fine degli anni '80 nel greto del fosso della Vignarola. Nel 2003 è stato osservato un gufo reale stazionare nella riserva per oltre una settimana; si è trattato con tutta probabilità di un esemplare erratico, proveniente dalla Tenuta Presidenziale di Castelporziano dove sono state effettuate reintroduzioni del grande strigiforme. Sulla costa si osservano il voltapietre, la beccaccia di mare, i corrieri mentre dall'alto della falesia con un binocolo si possono scorgere in mare il cormorano, la sula, a sterna beccapesci e lo smergo. La riserva ha attivato un centro di recupero e di prima assistenza della fauna selvatica che opera in collaborazione con il Corpo di Polizia Provinciale di Roma, il Corpo Forestale dello Stato, il WWF e la LIPU presso il cui centro del Bioparco di Roma vengono trasferiti gli esemplari feriti. Questa attività consente la reintroduzione in natura degli animali sopravvissuti. La frequenza elevata degli interventi di recupero effettuati durante la stagione venatoria denota purtroppo la diffusa pratica del bracconaggio nel territorio sula fauna protetta.i mammiferi risentono dell'isolamento biogeografico della riserva, fattore che da determinato l'estinzione locale di specie ancora largamente presenti in aree dalle caratteristiche ecologiche simili come l'istrice (scomparso a fine anni '60 ma presente attualmente in aree vicine, come Lido dei Gigli), il cinghiale. La donnola, la talpa romana, il moscardino, il topo selvatico, il mustiolo, il riccio e i ratti (Rattus rattus e Rattus norvegicus) sono specie che frequentano tutti gli ambienti della riserva, alcune più legate alla presenza umana altre più esclusive.
Recentemente è stata riscontrata la presenza del tasso che ha ricolonizzato l'area dopo l'estinzione locale avvenuta negli anni '60.
Tor Caldara racchiude un patrimonio vegetale di grandissimo interesse botanico e culturale testimone delle grandi estensioni forestali che senza soluzione di continuità occupavano l'intero settore costiero meridionale laziale fino alle definitive opere di bonifica intraprese negli anni '30 del secolo passato. La foresta mediterranea attualmente si configura come un vecchio ceduo disetaneo con una elevata copertura che si avvicina al 100% costituito prevalentemente da leccio (Quercus ilex) arricchito da specie diffuse come la sughra (Quercus suber): Localizzati nei recessi più umidi e caratterixzzati da maggiore potenza dei suoli, troviamo lembi di bosco planiziario deciduo con farnia (Quercus robur), farnetto (Quercus frainetto), cerro (Quercus cerris), l'ibrido pseudosughera (Quercus crenata), pioppo tremulo (Populus tremula) e pioppo canescente (Populus canescens).
La foresta di leccio costituisce la vegetazione naturale potenziale della flora mediterranea, ovvero che ha raggiunto la stabilità nella evoluzione della successione della vegetazione. A Tor Caldara il sottobosco è formato da corbezzolo (Arbutus unedo) rappresentato anche da esemplari di notevoli dimensioni, ilatro sottile (Phillyrea angustifolia) e erica arborea.
Negli impluvi e lungo i corsi d'acqua si sviluppa la vegetazione arborea ed arbustiva ripariale con ontano comune (Alnus glutinosa) e raro frassino meridionale (Fraxinus oxycarpa) mentre la presenza di acque mineralizzate che acidificano localmente i suoli crea le condizioni adatte allo sviluppo della maestosa felce florida (Osmunda regalis), una delle più rilevanti presenze floristiche della riserva ormai estremamente rara nel contesto italiano.
Intorno alle piccole zone umide naturali e agli stagni realizzati in seguito al recupero ambientale, si sviluppa una vegetazione igrofila con cannuccia di palude (Phragmites australis), giggiolo acquatico (Iris prseudacorus), giunco pigmeo (Juncus pygmaeus), mestolaccia comune (Alisma plantago-acquatica), lisca maggiore (Typha latifolia).
Ma sono soprattutto i particolari biotopi costituiti dalle risorgive termominerali che conservano specie importanti e, talvolta, rarissime. L'estrema localizzazione naturale di questi ambienti legati a fenomeni vulcanici tardivi che nel Lazio sono concentrati intorno ai principali centri eruttivi, fa si che la flora adattasi alle particolari condizioni dei suoli e delle emissioni sia poco comune. Piccole praterie della graminacea agrostide di Montelucci (Agrostis monteluccii) si associano allo zigolo termale (Cyperus polystachios), costituiendo la seconda stazione europea insieme a Ischia, si tratta di una specie subtropicale che nella riserva di Tor Caldara ha il proprio limite settentrionale di diffusione e che, adattandosi alle condizioni climatiche locali (non sopravvive allo stato perenne infatti a temperature inferiori ai 15°), si comporta come una specie annuale con riproduzione da seme.
Sulla fascia litorale si nota la classica morfologia della macchia mediterranea "a cuneo" a protezione dai venti marini; nella successione verso la costa la vegetazione si trasforma in intricati cespuglieti via via costituiti da essenze pioniere, maggiormente resistenti alla salsedine tra cui il lentisco (Pistacia lenthiscus), lo smilace (Slilax aspera), i cisti (Cistus incanus e Cistus monspeliensis), la ginestra comune (Spartium junceum), il mirto (Myrtus communis). La morfologia del promontorio di Tor Caldara, che si apre sula costa con un'alta falesia, presenta solo localmente habitat idonei allo sviluppo di specie tipiche della duna come il ravastrello marittimo (Cakile maritima), l'erba medica marina (Medicago marina), lo sparto pungente (Ammophila littoralis), lo sparto delle dune (Spartina juncea versicolor), la camomilla marina (Anthemis maritima) il ginestrino delle scogliere (Lotus cytisoides), il fico degli ottentotti (Carpobrotus acinaciformis) originario dell'Africa meridionale e naturalizzato nel Mediterraneo. La riserva è impegnata in un programma di recupero ambientale della fascia costiera finalizzato alla conservazione delgli habitat litoranei di estremo valore per la tutela della biodiversità.
Il bosco occupa un promontorio rilievato pochi chilometri a nord-ovest di Anzio, presso la via Ardeatina, formato dalla sovrapposizione di sedimenti pliocenici argilloso-marnosi, ricchi in fossili di molluschi marini e sabbie pleisto-oloceniche fini, delle antiche dune costiere. Numerose emissioni di anidride carbonica e idrogenosolforato, assieme alla forte mineralizzazione delle rocce, indicano l'esistenza di serbatoi magmatici profondi, collegati al vicino Vulcano laziale (oggi l'area dei Colli Albani).
Presso la costa si riscontra una prevalenza di terreni sabbiosi, ghiaie, calcareniti e tufiti pleistoceniche, marne e argille plioceniche. Abbondano zone intensamente mineralizzate con zolfo affiorante, sorgenti di acque mineralizzate e processi di travertinizzazione.
