La Riserva, situata a sud-ovest della città di Siena, racchiude un lungo tratto del fiume Merse e comprende anche il torrente Ricausa, una buona parte del torrente Rosia e l'ultimo tratto del torrente La Gonna, tutti affluenti del Merse. La maggior parte dei rilievi, e precisamente quelli in cui affiorano le rocce silicee appartenenti al Gruppo del Verrucano, è ricoperta da boschi di caducifoglie in cui prevale il cerro, una querce che si adatta bene ai terreni silicei. Nella parte bassa dei versanti, in condizioni più fresche, è ben rappresentata assieme al cerro anche la rovere. I castagneti costituiscono, dopo le cerrete, l'habitat boschivo più diffuso della Riserva; la loro estensione è stata favorita dall'uomo che ha selezionato il castagno dove era già presente o lo ha piantato dove il terreno e le condizioni climatiche lo consentivano.
Gran parte dei boschi della Riserva, di proprietà demaniale, non vengono utilizzati da diversi decenni e ciò ha permesso lo sviluppo di alberi di dimensioni adatte ad ospitare una ricca fauna forestale, che comprende tre specie di picchi (picchio verde, picchio rosso maggiore e torcicollo), che ricavano il proprio nido nei tronchi più grossi, e mammiferi di estrema importanza conservazionistica come il gatto selvatico, la martora e la puzzola.
Nella parte nord-occidentale della Riserva, le ampie radure, residuo di passate attività agricole, rappresentano ambienti ideali per il raro cervone e per molti rapaci, come il biancone, la poiana e il gheppio.
Il fiume Merse, circondato da una fascia ben sviluppata di vegetazione ripariale a salici e pioppi, conta ben quattro specie ittiche endemiche: il ghiozzo dell'Arno, il cavedano dell'Ombrone, il barbo appenninico e la rovella. Le acque limpide e fresche dei corsi d'acqua minori ospitano invece la salamandrina dagli occhiali e la rana italica, due anfibi esclusivi dell'Italia peninsulare, entrambe specie indicatrici di ambienti non inquinati. Pressochè unica per tutta la provincia di Siena è la presenza, nelle acque del torrente La Gonna, del gambero di fiume, un crostaceo divenuto rarissimo nell'intera Europa a causa dell'intensa cattura a scopo alimentare a cui è stato soggetto, e considerato per questo una specie di particolare interesse per l'Unione Europea. Il torrente La Gonna conta anche la presenza della biscia tassellata, un serpente raro in tutta la penisola, predatore di pesci e di rane, che qui ha una delle poche popolazioni conosciute per la Toscana meridionale.