El Parque Natural se localiza en el nordeste de la provincia de Segovia, ya muy próximo al límite con la de Burgos. El río Riaza constituye el eje longitudinal del Espacio y, a lo largo de su recorrido de sureste a noroeste, se pueden distinguir tres grandes zonas. La primera, entre la localidad de Maderuelo y la presa de Linares del Arroyo, con un relieve relativamente suave, estando el río Riaza embalsado desde el año 1951. Entre la presa y el arroyo de El Casuar, con una longitud de 5,5 kilómetros, el río se ha encajado en las calizas formando un cañón calcáreo de hasta 150 metros de profundidad y entre 200 y 300 de anchura. Y, por último, a partir de dicho arroyo y hasta la localidad de Montejo de la Vega, el río abandona las calizas formando un valle disimétrico con una fértil vega en su fondo.

La vegetación que tapiza el páramo es principalmente esteparia, con manchas de arbolado adaptado a la extrema continentalidad de este clima: sabinares, encinares y algunos quejigares. En contraste, el fondo del valle mantiene un soto fluvial muy interesante. Junto a la espectacularidad del paisaje, las aves son las que confieren a este Espacio su principal característica. La presencia de cortados calizos, pródigos en repisas y oquedades de los más variados tamaños, permite el asentamiento de una rica comunidad de aves de roquedo. Por otra parte, el embalse de Linares del Arroyo se convierte todos los años en la principal área provincial para la invernada de diversas especies de aves acuáticas.

Vegetación
En términos «biogeográficos», las Hoces del Riaza están enclavadas en la «región mediterránea», dentro de la que ocupan el «piso supramediterráneo » en base al clima y la altitud. El variado relieve de la zona, su constitución caliza y los aprovechamientos económicos de que ha sido objeto determinan la presencia de una vegetación muy diversa: el catálogo florístico de las Hoces del río Riaza está constituido por 911 especies pertenecientes a 86 familias.

La vegetación potencial está constituida por sabinares, básicamente en la zona norte, encinares repartidos por todo el territorio y quejigares, fundamentalmente en la margen oriental del embalse de Linares del Arroyo. Los restos del bosque de ribera en el fondo del valle del río Riaza, junto con comunidades de matorrales, pastizales y especies acuáticas, componen el resto de la vegetación del área. Hay que tener en cuenta, además, la existencia de una importante extensión de cultivos de secano y, en menor medida, de regadío en la vega del río Riaza.

Fauna
El «Catálogo de vertebrados de las Hoces del río Riaza» está constituido por 313 especies, 11 de peces, 11 de anfibios, 15 de reptiles, 231 de aves y 45 de mamíferos. La comunidad de aves es la más importante, destacando singularmente las rapaces de los cortados y, entre ellas, además de la gran colonia de buitre leonado (445 parejas en 2004), alimoche, halcón común, cernícalo vulgar o búho real. Los riscos también son utilizados por muchas otras especies, como aviones roquero y común, chovas piquirrojas, grajillas, etc.

Fue fundamentalmente la comunidad de rapaces rupícolas la responsable de que, parte del terreno ahora incluido en el Parque Natural, fuese declarado «Refugio de Caza» en 1974, pasando a gestionarse por WWF-ADENA, en lo que quizás haya sido el primer caso de un espacio natural gestionado por una ONG. También es importante y variada la comunidad de aves esteparias, entre las que destaca la siempre esquiva alondra de Dupont. Muy fácil de observar es la abundante tarabilla común. Por otra parte, el embalse de Linares del Arroyo constituye la mejor zona de invernada de aves acuáticas de toda la provincia, pudiendo observarse buen número de especies de anátidas, junto a garza real, cormorán grande, somormujo lavanco o zampullín chico. Por lo que respecta a los mamíferos, destacar la presencia escasa de nutria, tanto en el embalse como en el río Riaza, o de murciélago ratonero grande, abundante en alguna cueva del espacio. También hay jabalí, corzo, zorro y un buen número de micromamíferos: ratón de campo, topillos, musarañas, musgaño, etc.

Geomorfología
El Parque Natural está incluido en la gran cuenca sedimentaria castellanoleonesa del río Duero, constituida a partir de un núcleo paleozoico sobre el que se apoyan sedimentos mesozoicos de origen marino. A finales del Cretácico y principios del Paleógeno, la orogenia alpina fracturó dicho núcleo en diversos bloques, algunos de los cuales se hundieron formando la cuenca sedimentaria que se fue rellenando con los materiales procedentes de la erosión de los bloques elevados. En concreto, las Hoces del río Riaza se encuentran encuadradas en el sector oriental de la cuenca, dentro del denominado «Bloque de Sepúlveda».

Los materiales presentes en la zona pertenecen a diversas épocas:
- Cretácico. Predominan las calizas y dolomías de origen marino a lo largo del cañón, en ambas márgenes del río Riaza.
- Terciario. Desde Montejo de la Vega hasta Peña Portillo aparecen conglomerados carbonatados en alternancia con calizas de origen lacustre.
- Cuaternario. Se trata de materiales de origen aluvial, guijos, arenas y arcillas más o menos calcáreos que aparecen en las vegas.

En el Parque diferenciamos dos unidades geomorfológicas. Por un lado, los valles, de fondo plano, rellenos de materiales aluviales, profundos y de vertientes más o menos escarpadas. Por otro lado, los páramos, extensiones planas de elevada altitud (850-1000 m) y cubiertos de cantos calizos angulosos e irregulares producto de la disgregación.

Patrimonio social y cultural
Los pueblos del Parque Natural tienen un interesante patrimonio histórico-artístico, si bien no siempre se encuentra en un buen estado de conservación. En el interior del espacio, en la misma vega del río Riaza, se encuentra la ermita de Casuar, iglesia románica del siglo XII parcialmente en ruinas, que fue declarada Bien de Interés Cultural en 1997, con la categoría de Monumento. También dentro del espacio se encuentran los restos de la iglesia de Linares del Arroyo, pueblo inundado por el embalse del mismo nombre, de estilo románico tardío y que, en función de la altura del agua del embalse, aparece más o menos inundada. Fuera del espacio, la mayor parte de los recursos histórico-artísticos se concentran en el núcleo de Maderuelo que, con la categoría de Conjunto Histórico, fue declarado Bien de Interés Cultural en 1993 por sus fragmentos de lienzos de la muralla, restos de torres, una puerta fortificada y dos iglesias románicas con añadidos posteriores, junto con una arquitectura popular singular.

Valores que justifican su declaración
Espacio de gran valor natural, paisajístico y faunístico.