La particolare posizione biogeografica della Collina, una sorta di cerniera tra ambienti continentali e submediterranei, la complessa morfologia e le differenti esposizioni originano notevoli differenze microclimatiche che determinano una copertura vegetazionale molto eterogenea e di conseguenza una fauna altrettanto ricca. Sono stati censiti 7 ambienti di importanza comunitaria, di cui due prioritari ai sensi della Direttiva Habitat (D.H.): gli acero-tiglio-frassineti (9180) e i boschi di ontano nero (Alnus glutinosa) e frassino (Fraxinus excelsior) (91E0).
Sono estesamente rappresentati gli habitat di tipo forestale quali il querco-carpineto (9160) ed i boschi di castagno (Castanea sativa) (9260). Tra gli habitat prativi sono presenti le praterie umide di bordo ad alte erbe (6430), le praterie secche (6210) e i prati da sfalcio collinari (6510).
Il patrimonio floristico è particolarmente ricco considerata l'estensione del sito; sono compresenti specie caratteristiche della pianura e dei rilievi collinari frammiste a specie più tipicamente montane e amanti del fresco (microterme) e, sui versanti più caldi, specie termofile, talvolta submediterranee.
I versanti settentrionali della collina, ed in particolare le strette e ripide vallecole dove il clima rimane umido e fresco in estate, sono caratterizzati da una vegetazione forestale a carattere subatlantico, mesofila e ombrofila, ascrivible al "querceto misto mesofilo dei rilievi collinari interni", tipologia forestale oggi purtroppo molto ridotta a causa della grande invadenza della robinia. Questi boschi ospitano, tra le specie arboree, acero di monte (Acer pseudoplatanus), acero riccio (Acer platanoides), ciavardello (Sorbus torminalis), frassino maggiore (Fraxinus excelsior) ed olmo montano (Ulmus glabra); nel sottobosco sono state segnalate specie rare o protette come Actaea spicata, Aconitum vulparia, Leucojum vernum, Lilium martagon ed Helleborus viridis. Le condizioni microclimatiche particolari dei versanti più freddi permettono l'eccezionale permanenza di alcune specie montane quali il faggio (Fagus sylvatica), il sorbo montano (Sorbus aria), il mirtillo (Vaccinium myrtillus), il fior di stecco (Daphne mezereum), qui rimaste in stazioni relitte e disgiunte dall'areale principale. Ai querceti mesofili, in stazioni più asciutte e su substrato più acido, si alternano i querceti di rovere a Physospermum cornubiense, sostituiti localmente dai castagneti o dai robinieti, habitat creati o favoriti dalle scelte e dagli interventi pregressi o recenti dell'uomo. I versanti meridionali della collina, caratterizzati da un clima caldo e asciutto durante l'estate e relativamente mite durante l'inverno, ospitano specie vegetali di tipo submediterraneo e più o meno marcatamente xero-termofile. Le formazioni forestali prevalenti sono i querceti di rovere (Quercus petraea) e di roverella (Quercus pubescens), con sporadico cerro (Quercus cerris); tra le specie presenti si possono segnalare orniello (Fraxinus ornus), qui ai limiti dell'areale, sorbo domestico (Sorbus domestica), asfodelo (Asphodelus albus), dìttamo (Dictamnus albus) e Iris graminea, un giaggiolo molto raro nella nostra regione.
È interessante notare come, sulla Collina di Torino, siano presenti naturalmente tutte le specie di querce piemontesi (Quercus robur, Q. petraea, Q. pubescens, Q. cerris, oltre alla rara Q. crenata), ad esclusione del leccio (Quercus ilex), che è presente solo allo stato di specie naturalizzata.
Per quanto riguarda la fauna, la ricca ornitocenosi comprende oltre 40 specie di uccelli nidificanti, in gran parte legate agli ambienti forestali, tra cui sono da segnalare il nibbio bruno (Milvus migrans) e il falco pecchiaiolo (Pernis apivorus), entrambi inseriti nell'All. I della D.U. Recentemente è stato osservato anche il picchio nero. Anche i mammiferi, circa 15 specie finora censite, sono rappresentati per lo più da elementi legati ad habitat boschivi come il toporagno comune (Sorex araneus), lo scoiattolo (Sciurus vulgaris), il moscardino (Muscardinus avellanarius, D.H. All. IV) ed il tasso (Meles meles); numerosi i cinghiali (Sus scrofa), il cui ritorno sulla collina si deve a recenti rilasci a fini venatori. Ultimamente sono stati segnalati il pipistrello di Savi (Hypsugo savii, D.H. All. IV) e il raro mustiolo etrusco (Suncus etruscus). In relazione all'erpetofauna sono segnalate 5 specie di anfibi e 7 di rettili, di cui rispettivamente 3 e 4 di interesse comunitario.
Notevole è anche il popolamento entomologico; in particolare, sull'intera Collina di Torino, sono stati studiati in modo approfondito i coleotteri carabidi (oltre 100 specie segnalate) e i coleotteri cerambicidi (oltre 50 specie), tra cui Cerambyx cerdo, inserito negli All. II e IV della D.H. Tra gli invertebrati di importanza comunitaria si ricordano ancora il coleottero Lucanus cervus (D.H. All. II) e il lepidottero arctiide Callimorpha quadripunctaria (D.H. All. II).
Infine è da ricordare come la Collina di Torino rivesta una notevole rilevanza geologica e paleontologica per l'affioramento di rocce sedimentarie fossilifere (marne, arenarie e calcari) formatesi nell'oceano che occupava l'attuale Pianura Padana durante l'era Terziaria. Tra i 5 e i 2 milioni di anni fa, in seguito alle spinte conseguenti allo scontro tra la placca africana e quella europea si è verificata la chiusura di questo antico oceano e gli originari deposti marini sono emersi a formare rilievi collinari. In epoca più recente (tra i 40.000 e i 10.000 anni fa) durante le glaciazioni, i versanti collinari sono stati localmente ricoperti da sedimenti fini originatisi in ambiente periglaciale (loess), quivi trasportati dal vento.
Rivestono un interesse geologico e botanico particolare gli affioramenti di conglomerati serpentinitici del Brich Paluch. Il sito è l'unico affioramento di questa litologia nella Collina di Torino. Tali affioramenti sono colonizzati da specie vegetali caratteristiche di ambiente montano asciutto quali Chrysopogon gryllus, Danthonia alpina, Minuartia laricifolia, Plantago serpentina, rarissime nel contesto collinare.
Le minacce, vista la vicinanza dell'area metropolitana torinese, sono molteplici e spesso contraddittorie. Per le specie vegetali e animali degli ambienti aperti la principale minaccia è costituita dall'eccessiva espansione delle superfici forestali a discapito delle formazioni vegetali a copertura rada con presenza di specie eliofile e termofile; tale rischio è aumentato dalla diffusione di specie esotiche, in particolare la robinia, che tendono ad invadere e sostituire le biocenosi naturali spontanee. L'espansione di specie esotiche, particolarmente agevole in un ambiente molto antropizzato e con un notevole sviluppo di strade, può sfavorire la presenza di specie autoctone, sia vegetali che animali: ad esempio, lo scoiattolo grigio americano (Sciurus carolinensis), segnalato recentemente, potrebbe far scomparire lo scoiattolo rosso (Sciurus vulgaris) come già accaduto in altri ambiti (si veda IT1110004 Stupinigi). Ulteriori fattori di rischio sono le opere di urbanizzazione in atto o in progetto, l'inquinamento causato dalla città (ozono, polveri, etc.), l'inquinamento delle acque superficiali, la presenza di cave e discariche abusive, etc. Infine la vicinanza al centro urbano rende il Parco soggetto ad un'intensa fruizione, che localmente può comprometterne l'integrità.
L'area è facilmente accessibile dalla città di Torino, anche utilizzando mezzi pubblici. Il sito è visitabile percorrendo l'estesa rete di sentieri della Collina Torinese, ben segnalati sul territorio e di cui è disponibile una dettagliata cartografia corredata da libretti illustrativi che permettono di scoprirne gli angoli più remoti oltre che le emergenze naturalistiche e storico-architettoniche. Presso la stazione di arrivo della tranvia a cremagliera Sassi - Superga si trova il Centro Visitatori del Parco della Collina di Superga.