Заповедник «Воронинский» расположен в среднем течении реки Ворона – правого притока р. Хопёр (бассейн р. Дон). В его состав входит 2 больших участка вдоль Вороны и 10 малых в долинах ее притоков. Современный рельеф заповедника обязан действию талых ледниковых вод и атмосферных осадков в послеледниковое время. Местность равнинная, сильно расчлененная долиной реки и овражно-балочной системой, особенно на правобережье. Высотные отметки достигают 150-180 метров над уровнем моря.
В заповеднике произрастает около 900 видов растений, 42 представителя флоры занесены в Красную книгу региона, 5 видов – из Красной книги России: брандушка разноцветная, рябчик русский, ковыль перистый, ятрышник шлемоносный, ирис безлистный.
В пойме реки преобладают черная ольха, дуб черешчатый, осинники и пойменные луга. На водораздельных участках преобладают склоновые широколиственные леса, суходольные луга, встречаются луговые степи.
Представлена типичная фауна южной лесостепи.
Лесная куница, барсук, лисица, горностай, американская норка – характерные млекопитающие заповедника, зимой встречаются проходные волки. После создания заповедника значительно возросла численность копытных: лося, кабана, косули.
По реке Вороне и её притокам многочисленны бобры, обитает выдра. Встречается русская выхухоль, занесенная в Красную книгу России.
Орнитофауна заповедника очень разнообразна, 31 вид птиц, встречающийся в заповеднике, краснокнижные, в том числе лебедь-шипун, лебедь-кликун, огарь, представители семейства поганок. Каждую весну на пролете бывает до 2 тыс. тундряных гусей.
Река Ворона, ее пойма и крупные озера являются местом нереста многих видов рыб, 10 из которых занесены в Красные книги России и области.
Главным результатом деятельности заповедника является сохранение природных комплексов и их частичное восстановление. К моменту организации заповедника многие участки леса оказались сильно нарушенными хозяйственной деятельностью. В частности, были вырублены наиболее высоковозрастные дубовые и ольховые насаждения. И только благодаря существованию заповедника появилась возможность восстановления этих типичных для европейской лесостепи экосистем, и, как следствие, сохранение всего видового разнообразия флоры и фауны данной экосистемы.