La Riserva si sviluppa per circa 7 km di lunghezza lungo il corso dell'Arno, dal ponte romanico di Ponte Buriano fino alla centrale elettrica situata a valle della diga ENEL della Penna e comprende l'invaso artificiale della diga e le zone terrestri limitrofe. Il paesaggio è caratterizzato principalmente dalle dolci colline circostanti all'invaso, costituite da sedimenti fluvio-lacustri di età diversa, con presenza saltuaria di balze e pareti verticali. Dalla cartiera di Ponte a Buriano fino a Rondine, l'Arno scorre incassato fra le rocce, mentre da Rondine alla Penna il fiume si allarga a costituire l'invaso della Penna. Il paesaggio vegetale è costituito da boschi di roverella, localizzati soprattutto nei versanti direttamente esposti verso l'invaso, da una esigua fascia arborea ripariale, da arbusteti, colture agrarie (situate soprattutto lungo la sponda sinistra dell'Arno) e da una vasta area palustre nella porzione orientale della Riserva.
