La Sierra de Leyre, formada básicamente por calizas y areniscas, consiste en una serie de cabalgamientos que, al fracturarse, han dado lugar a su escarpe meridional, que culmina en Arangoiti (1.353 m). Los ríos que desde el Pirineo afluyen forman las foces de Arbayún y Lumbier al seccionar de lado a lado la estructura.

La zona se encuentra en la frontera entre la región Mediterránea y Eurosiberiana, cuyo límite viene dibujado por la cresta de la sierra, donde se interceptan las últimas influencias oceánicas.

La vegetación es muy variada por la diversidad de ambientes que generan el clima y la litología. En la vertiente meridional y el extremo occidental de la sierra, se localizan la mayor parte de las formaciones de carácter mediterráneo como carrascales, coscojares y aliagares. Los quejigales alcanzan algunos puntos de la solana de la sierra, en las proximidades de Yesa, y gradualmente, conforme se asciende en altitud, dan paso a los robledales pelosos, en una transición continua de formas entre Quercus faginea y Quercus humilis.

Gran parte de los bosques caducifolios han sido desplazados por los pinares de pino albar. Las etapas de sustitución de estos robledales, y en general de los bosques de frondosas basófilos, son: bujedos, matorrales de otabera (Genista occidentalis) y pastizales del Bromion. Los hayedos aparecen en la cara norte y se distinguen dos tipos en función del sustrato que ocupan: basófilos y xerófilos (Epipactido-Fagetum) y acidófilos y ombrófilos (Galio rotundifoliae-Fagetum). Sobre las areniscas también se encuentran marojales y brezales con Genista anglica, de gran interés biogeográfico. En laderas venteadas y con suelos crioturbados, hay matorrales pulviniformes de Erinacea anthyllis.

Los roquedos, de gran valor paisajístico y geomorfológico son de gran importancia por la fauna ornítica a la que cobijan. Albergan también endemismos saxícolas del Pirineo como Petrocoptis hispanica, Saxifraga longiflora y Valeriana longiflora o del arco ibérico como Saxifraga losana. El interés faunístico de la sierra trasciende el ámbito peninsular ya que constituye uno de los principales núcleos reproductores de buitre leonado de Europa (477 parejas) y 16 territorios de alimoche común, 5 parejas de Halcón peregrino. La comunidad de rapaces rupícolas es una de las mejor conservadas de Europa y se completa con halcones peregrinos, aguila real y quebrantahuesos (1 territorio reproductor). De entre las rapaces rupícolas tan solo el águila perdicera se encuentra ausente como reproductora, aunque realiza visitas esporádicas a los roquedos y ha sido nidificante hasta tiempos recientes. Alberga un importante dormidero de alimoches y otro invernal de milano real. Es territorio abandonado de dos parejas de Aquila fasciata en los últimos años.

Forma parte de las sierras prepirenaicas que en conjunto acogen los contingentes más numerosos y diversos de aves rapaces de europa occidental.

En los hayedos y pinares mejor conservados de la vertiente septentrional, se encuentran pito negro, azor, gavilán, ratonero, halcón abejero y cárabo, mientras que en los bosques de frondosas mediterráneas nidifican águilas culebreras, águilas calzadas, alcotanes, búhos chicos, milanos reales y milanos negros. Algunos bosquetes próximos al Salazar son utilizados como dormideros por las rapaces carroñeras y en ellos se llegan a concentrar en período estival alimoches, y en invierno milanos reales. Los mamíferos son también abundantes, como atestiguanlos rastros de gato montés, zorro, tejón, garduña y gineta. El corzo ha recolonizado la sierra.

En la carretera que asciende hasta el alto de Arangoiti existe una reducida mancha de hayedoabedular de interés para la conservación.

El área, libre de la excesiva presión humana al que se ven sometidos los ecosistemas pirenaicos más montanos, tiene una potencialidad excepcional para la presencia comunidades bien estructuradas de meso y mastomamíferos silvestres. Dicha área constituye el límite occidental de las estribaciones prepirenaicas con continuidad en la Comunidad Aragonesa. Tiene además una importante función conectora dentro del eje oriental norte-sur de Navarra.

Se han inventariado 57 cuevas y 9 simas (Hábitat de Interés comunitario 8310)