La Valle dei Casali è percorsa dal fosso di Affogalasino, che nasce a Villa Pamphili, taglia la Tenuta di Villa York, prosegue fino a passare la via Portuense, ormai contenuto da una condotta artificiale sotto via del Trullo, fino al Tevere. La vegetazione che in alcuni tratti ricopre le rive costituisce la risorsa naturalistica principale della Riserva.
Quasi tutta la Riserva è caratterizzata, come le aree limitrofe di Tenuta dei Massimi e Acquafredda, da rilievi collinari di modesta elevazione impostati su una serie di terreni di origine fluvio-palustre, costituiti da sabbia, ghiaia ed argilla. Solo sulla sommità dei rilievi affiorano, con modesto spessore, i prodotti vulcanici a prevalenza tufacea. Il fondovalle è occupato dai sedimenti alluvionali recenti del fosso. L'alternanza di terreni porosi e argillosi determina la presenza di acquiferi liberi nella parte alta dei rilievi e confinati in profondità. La portata media delle poche sorgenti presenti nell'ambito della riserva è compresa tra 0,1 e 3 l/sec. L'intensa urbanizzazione della riserva, ritagliata all'interno dei quartieri Gianicolo, Monteverde e Casaletto, unitamente all'attività estrattiva operata nel passato, hanno fortemente influenzato i caratteri geologici e geomorfologici dell'area, mascherando o modificando i lineamenti naturali originari. L'estesa impermeabilizzazione dei terreni - indotta dagli insediamenti civili - ha diminuito enormemente la possibilità di ricarica degli acquiferi, peraltro compromessi da contaminazione diffusa.
La vegetazione arborea più diffusa nell'area è costituita da olmeti e robinieti, ma grazie alla presenza di piccole falde acquifere si ritrovano boschi igrofili a dominanza di salici, pioppi o farnie. Sono inoltre presenti un piccolo bosco di sughera, nella porzione sud-occidentale, e un lembo di vegetazione arborea a bagolaro e alloro . Abbondante la ginestra, tra gli arbusti, nonché canneti a canna comune e più raramente a cannuccia palustre. Tra le erbacee prevalgono le composite, le graminacee e le leguminose.
I più vistosi sono senz'altro gli uccelli, di cui sono state censite 77 specie di cui 45 nidificanti. Si tratta essenzialmente di specie tipiche dei cespuglieti, dei pascoli e delle aree coltivate. E' da segnalare che alcune specie legate alle aree coltivate sono incluse tra le specie vulnerabili o in diminuzione in Europa, e in particolare il gheppio, il barbagianni, la civetta, il gruccione, la cappellaccia, l'allodola, la rondine, il saltimpalo e l'averla piccola. Quest'ultima è anche inserita tra le specie di interesse comunitario. Di qualche interesse la segnalazione di due specie di tritoni, legata probabilmente a piccoli ambienti umidi collocati ai confini meridionali della riserva (presso Via della Magliana). Tra i mammiferi sono segnalate poche specie, tra cui va sottolineata la nottola, pipistrello menzionato nella Lista rossa dei vertebrati italiani come specie vulnerabile.
