Территория парка расположена на Приволжской возвышенности на самых высоких в Саратовской области горах. Наибольшая высота над уровнем моря составляет 340 м. Парк находится в пределах степной зоны на границе подзон луговых и настоящих умеренно-засушливых степей.
Флора парка пока изучена недостаточно полно. По-видимому, она составляет не менее 900 видов растений. Столь высокое биоразнообразие определяется разнообразием мест обитания растительных сообществ. Здесь произрастают редкие растения и растения, занесенные в Красную книгу Российской Федерации и Красную книгу Саратовской области: волчеягодник боровой (Daphne cneorum), венерин башмачок настоящий (Сурripedium calceolus), иссоп меловой (Hyssopus cretaceus), пион тонколистный (Paeonia tenuifolia), ковыль перистый (Stipa pennata) и другие. Уникальна популяция сосны, произрастающей на меловых обнажениях (Pinus sylvestris L. var. cretacea Kalenicz. ex Kom).
Национальный парк является местом обитания следующих видов животных: зайца русака, бобра, лисицы, волка, барсука, европейской норки, рыси, лося, кабана, косули. Богатство орнитологической фауны обусловлено близостью р.Волги.
Леса парка, в отличие от других национальных парков, расположены обособленными урочищами среди сельскохозяйственных угодий и имеют выраженный ландшафтный характер.
Покрытые лесом земли занимают 88,8 процента территории парка. Леса представлены смешанными дубово-липовыми и сосново-широколиственными насаждениями. Основная лесообразующая порода - дуб черешчатый. Насаждений, где он является главной породой более 9 тыс. га (39%). На втором месте - липа мелколистная (30%). Значительная доля приходится на сосну - 5,5 тыс. га или 24 процента. Сосновые леса расположены на выходах меловых пород и являются одной из достопримечательностей парка. Кроме того, в составе насаждений участвуют клен остролистный, береза повислая, осина, тополь черный, ольха и другие породы.
По материалам учета лесного фонда средний возраст насаждений - 51 год. В настоящее время в лесном фонде преобладают средневозрастные насаждения, занимающие 49,9 процента, молодняки 25,5 процента, приспевающие - 17,3 процента, спелые и перестойные - 8,3 процента. Средний бонитет насаждений составляет 3,5 единицы.