All’interno, invece, una serie di colli si alterna a vallate carsiche in cui si aprono grotte e doline e sgorgano piccole sorgenti come Fontana Vecchia e Fonte Bologna.
La riserva è un importante geo-sito con formazioni di calcari e rosso ammonitico, ricche di fossili, databili a 100/200 milioni di anni fa. Sono il frutto di una lenta orogenesi che ha visto innalzarsi queste alture sedimentando alghe, lamellibranchi, gasteropodi e ammoniti, tra cui due generi di crinoidi (assimilabili all’odierno giglio di mare) rinvenuti alla fine degli anni Ottanta e prima sconosciuti alla scienza.
Il Monte Catillo è stato abitato fin da epoche remotissime. Lungo i sentieri s’incontrano tracce di insediamenti pastorali del Paleolitico, antiche cisterne e resti ville rustiche di età romana. Singolare è quella sul Colle Piano che sembra sia appartenuta al poeta latino Catullo, su cui nel Medioevo fu edificato il monastero di Sant'Angelo in Piavola, oggi trasformato in un albergo di lusso che domina la città. Sempre al Medioevo risale anche l’insediamento difensivo del Castellaccio, o Castrum Saracinesco.
Il territorio della Riserva ha sempre offerto lavoro alla popolazione della zona; è facile trovarvi residui di antiche attività come carbonaie e "calcare" (fornaci per fabbricare la calce viva), ed ancora oggi offre buoni pascoli agli allevatori.

Concentrate nello spazio di poche centinaia di ettari si trovano ben 386 specie, di origine atlantica e balcanico-orientale, che creano ambienti molto diversi tra loro: boschi d'alto fusto, campi con cespuglieti e arbusti sparsi, garighe ricche di orchidee e praterie steppiche.
Davvero affascinante è la sughereta di Sirividola, con esemplari che superano i tre metri di circonferenza; uno splendido esempio, forse unico al mondo, di consociazione tra sugheri e castagni su terreno calcareo.
Simbolo della Riserva è la pseudo-sughera, dalla caratteristica foglia dentata, un raro ibrido di quercia probabilmente generato dall'incrocio tra cerro e sughera.
Molto diffuso è anche lo Styrax officinalis, pianta di origine orientale dai fiori bianchi e profumatissimi, localmente noto col nome di mellàina. Si trovano poi il carpino orientale; il biancospino; il corniolo; il terebinto e l’acero campestre che colorano l’autunno con i loro caldi toni del rosso, macchiato dal giallo dorato della marruca, dai caratteristici fiori piatti; l'agrifoglio; il ginepro ossicedro e la fillirea. In primavera spicca la fioritura rosa intenso del siliquastro, o albero di Giuda. Offrono splendide fioriture anche il cisto, l’erica, l'asfodelo giallo, la linaria violacea, l’anemone hortensis, il gigaro a foglie sottili e diversi tipi di orchidee tra cui la rara ophrys tenthredinifera o orchidea fior di vespa.