Il paesaggio del parco è caratterizzato dai risultati di una complessa storia geologica: i fondovalle sono stretti, sovrastati da pareti di gole più o meno ripide e coperte dalla vegetazione. In alcuni casi, come accade a Narce, Pizzopiede e Monte Li Santi, la vegetazione è oggi meno sviluppata a causa del lavoro dell'uomo che, nel passato, ha utilizzato le superfici più pianeggianti della zona per l'agricoltura e la pastorizia. Le forme ripide del paesaggio hanno contribuito alla salvaguardia dell'ambiente naturale: le zone dove non era possibile coltivare o costruire offrono al visitatore di oggi un colpo d'occhio molto simile a quello che potevano avere i nostri antenati.
Se seguiamo il corso del fiume all'interno del parco, il primo – e più famoso – punto di interesse è senz'altro costituito dalle cascate di Monte Gelato, dopo le quali il fiume si inoltra in una gola selvaggia fino alla rupe su cui sorge il paese di Mazzano Romano. Oltre questo rilievo, la valle si allarga in corrispondenza di una larga ansa del fiume e, sul lato destro, una serie di piccole alture ospitano i siti archeologici di Narce, Pizzopiede e Monte Li Santi e, poco oltre, il borgo di Calcata, con la sua inconfondibile sagoma arroccata.
Oltre la rupe di Calcata, il fiume scorre in una valle che a tratti si allarga per poi, una volta uscito dai confini più settentrionali del parco, unirsi con altri corsi d'acqua che scorrono verso la riva destra del Tevere.
Se l'ambiente della Valle del Treja è ricco di associazioni vegetali differenti, dal punto di vista della presenza faunistica la zona non è più popolata come doveva essere in un passato neanche troppo lontano. Questo è dovuto sia alle ridotte dimensioni dell'area protetta che all'elevata presenza umana nei dintorni, che rende difficili le condizioni di vita e le possibilità di spostamento da una zona all'altra della fauna più importante, come i mammiferi.
Tra questi sono comunque frequenti la volpe, il riccio, la faina, l'istrice, il ghiro e il moscardino; nonostante esistano degli autori che hanno parlato della presenza del lupo, non si hanno segnalazioni recenti che la possano confermare.
Ancora tra i mammiferi, sono presenti nella zona della Valle del Treja il tasso, la puzzola, la martora e il gatto selvatico, mentre la presenza del cinghiale crea spesso problemi alle coltivazioni, motivo per il quale gli agricoltori percepiscono un indennizzo e vengono muniti di recinzioni elettrificate per cercare di contenere il problema.
La nutria, un roditore di origine sudamericana allevato per la sua pelliccia, ha colonizzato le rive di molti corsi d'acqua italiani ed è presente nelle zone più vicine alle rive.
Tra i rapaci sono presenti il falco pellegrino, il falco pecchiaiolo, lo sparviero, il gheppio, il nibbio bruno e la poiana; nei mesi invernali sosta spesso nella zona l'airone cenerino. Nella valle e nei suoi boschi nidificano lo scricciolo, il pettirosso, il merlo, il picchio verde, la ghiandaia, il passero solitario e l'usignolo. Il gufo comune è certamente presente e ci sono segnalazioni che riguardano l'avvistamento dello splendido gufo reale.
Rettili e anfibi sono quelli più frequenti nelle regioni dell'Italia centrale: tra questi si possono ricordare la testuggine, il geco, il ramarro, il saettone, la natrice dal collare e la vipera comune. Tra gli anfibi è stata ritrovata la salamandrina dagli occhiali, molto rara per le sue particolari necessità ambientali.
Nelle acque del Treja e dei suoi affluenti vive una fauna importante e varia che comprende il granchio di fiume, il cavedano, che nella zona viene detto "squalo" a causa dell'affiorare della sua pinna caudale, il barbo, il ghiozzo e la carpa, mentre vari tentativi di introdurre la trota nel fiume non hanno dato risultati a causa delle condizioni ambientali non adatte.
La vita degli animali nel bosco vista con gli occhi nascosti delle fototrappole del Parco: vedi il video "La strada nel bosco"
L'ambiente vegetale del territorio del parco, con il variare delle condizioni climatiche dovute all'esposizione e all'insolazione, è composto da diverse zone vegetazionali che si susseguono con il mutare della quota rispetto al fondovalle. Partendo dall'alto si possono quindi distinguere quattro differenti ambienti particolari: il bosco termofilo, le pianure destinate all'agricoltura e all'allevamento, il bosco misto e le aree umide. Dove il clima è più caldo e assolato, come per esempio sui pendii all'esterno delle forre, si incontra il bosco termofilo che, a causa della lontananza dal fondovalle e dallo scorrere dell'acqua, è composto da specie che necessitano di poca umidità. Tra le piante caratteristiche delle aree più asciutte e presenti in questo ambiente si incontrano il corniolo, il ligustro e la ginestra. Le aree a bosco misto sono popolate da carpino nero, roverella e orniello e nel sottobosco si trovano pungitopo, robbia e ciclamino. Nelle zone più fresche si incontra un bosco composto principalmente da roverella e cerro a cui si accompagnano l'olmo comune, la farnia, il nocciolo e l'acero.
La Valle del Treja, insieme con le sue pendici, le sue colline e le sue rupi, è il risultato di una lunghissima storia geologica, profondamente influenzata dall'esistenza di alcuni grandi vulcani nella zona a nord di Roma. Le varie fasi eruttive del vulcano sabatino – comprese tra 700.000 e 40.000 anni fa – hanno ricoperto le rocce ed i terreni più antichi ed è stata la forza degli agenti atmosferici insieme al lento scorrere delle acque di superficie a scavare negli strati vulcanici quelle che sono le valli di oggi.
Dove le rocce sono più compatte e meno fratturate, si sono creati una serie di gradini verticali come quelli che si possono osservare su alcuni versanti o che hanno dato vita alle cascate odierne, come quelle di Monte Gelato, a cui corrisponde uno strato di tufo molto resistente all'erosione.
Grazie a studi complessi, i geologi spiegano che in questa zona scorreva anticamente il Tevere, poi deviato verso il corso attuale, circa 600.000 anni fa, dalla ricaduta di uno spesso strato di scorie e colate di origine vulcanica. Nuove eruzioni, comprese tra 600.000 e 360.000 anni fa, hanno completamente ricoperto il precedente paesaggio fluviale e proprio su questo nuovo altopiano è iniziata lentamente l'erosione di quello che oggi è il Treja con la sua rete di affluenti.
Certo, non è facile sintetizzare in poche righe una storia così lunga e complessa. A fianco al processo generale che avrebbe portato alla Valle del Treja come la possiamo vedere oggi, una serie di altri fenomeni ha reso più complesse le forme del paesaggio. Le scarpate più ripide e verticali, come per esempio quelle della rupe su cui sorge il vecchio borgo di Calcata, hanno questa forma perché sono più recenti, cioè sono composte da rocce vulcaniche che hanno raggiunto la zona dopo che il fiume aveva già cominciato ad erodere il tufo più antico.
Il Fiume Treja è il collettore principale che raccoglie le piogge che cadono su tutta l'area – il suo bacino idrografico si estende per circa 490 chilometri quadrati – e, come tutti i suoi affluenti, ha una notevole variazione di portata con il trascorrere delle stagioni. A voler essere esatti, si può dire che le piogge nell'arco dell'anno, raggiungono in media poco più di 1000 mm e che luglio, statisticamente il mese più secco dell'anno, è bagnato solo da 24 mm di pioggia.
