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.