La cuvette de Holay s'est formée à la suite de phénomènes d'origine glaciaire et elle a été comblée par la suite par des sédiments limoneux et tourbeux qui forment la zone humide.
La géologie de la zone voit la prédominance en affleurement du substrat rocheux, constitué en grande partie de micaschistes compacts appartenant à l'unité géologique de la Zone Sesia-Lanzo.
Le petit bassin lacustre est en voie d'eutrophisation naturelle : l'état de comblement est avancé, et la bande de végétation de marécage est en expansion.
Le site est riche en espèces, tant animales que végétales, relativement rares pour le territoire valdôtain, en considération entre autres du fait qu'il se trouve dans une zone de frontière entre le secteur alpin interne valdôtain et le secteur de colline du Canavese. Unique station de la Vallée d'Aoste pour le Triton ponctué et le Triton crêté, espèces endémiques italiennes. En ce qui concerne la flore, on signale la présence de Gladiolus palustris, Dactylorhiza incarnata et Tulipa sylvestris subsp. australis.
La végétation est celle typique des zones humides, constituée essentiellement de roseaux communs (Phragmites australis), de massettes à larges feuilles (Typha latifolia) et de quelques espèces de Joncs (Juncus tenageja, Juncus conglomeratus). La réserve naturelle de Holay est le seul site actuellement connu en Vallée d'Aoste qui abrite deux plantes d'un intérêt remarquable: le lythrum pourpier (Lythrum portula) et le myosotis des roseaux (Myosotis laxa).
La faune comprend nombreuses espèces d'Amphibiens et de Reptiles. Parmi ces derniers, on observe le lézard vert (Lacerta viridis), le lézard des murailles (Podarcis muralis) et la couleuvre à collier (Natrix natrix) et, parmi les Aphibiens, la grenouille verte (Rana esculenta) et la salamandre tachetée (Salamandra salamandra).