Заповедник расположен в среднем течении реки Вороны на юго-востоке Окско-Донской равнины, в его состав входит два больших участка. Это единственная в регионе особо охраняемая природная территория федерального уровня.
К моменту создания ООПТ многие участки леса в этом районе сильно пострадали от хозяйственной деятельности, в частности, были вырублены дубовые и ольховые насаждения возрастом более 100 лет. Благодаря работе заповедника появилась возможность восстановления этих экосистем.
В заповеднике произрастает около 900 видов растений, четыре из которых занесены в Красную книгу России: брандушка разноцветная, рябчик русский, ятрышник шлемоносный, ирис безлистный.
На заповедной территории представлены различные типы леса. В пойме реки Вороны преобладают чёрная ольха, дуб черешчатый, осинники и пойменные луга, а на водораздельных участках – склоновые широколиственные леса и суходольные луга, встречаются также луговые степи.
Наибольшую ценность для учёных представляют черноольшанники, пойменные дубравы и склоновые дубравы, которые ранее были широко распространены в лесостепи.
Характерные млекопитающие заповедника – лесная куница, барсук, лисица, горностай, американская норка. После создания заповедника значительно возросла численность копытных: лося, кабана, косули.
По реке Вороне и её притокам многочисленны бобры, обитает выдра. Встречается русская выхухоль, занесённая в Красную книгу России.
Орнитофауна очень разнообразна – 22 вида птиц, встречающихся в заповеднике, краснокнижные, в том числе орлан-белохвост, кулик-сорока, филин и другие.
В реке Вороне обитает 42 вида рыб и минога украинская. Стерлядь, шемая и вырезуб занесены в Красную книгу России.
В 2023 году в Воронинском заповеднике был запущен первый в нашей стране проект по полувольному содержанию крапчатых сусликов, занесённых в Красную книгу России. Его задача – сохранить генофонд и восстановить численность вида, а также создать резерв для его реинтродукции в пределах естественного ареала.
В рамках реализации проекта на территории заповедника начал работу вольерный комплекс и Центр реинтродукции. В июле 2023 года из Липецкой области туда завезли первых 40 сусликов. Именно в условиях полувольного содержания создаются благоприятные условия для обитания и поддержания качественной кормовой базы. По итогам первого года труда специалистов был зафиксирован хороший результат: более 90 процентов зверьков успешно перезимовали и вышли из спячки, что практически недостижимо в природе.
На территории заповедника создано несколько экологических маршрутов, прогулка по которым занимает от двух до четырёх часов. Посетить их можно только с предварительного разрешения администрации, находиться на пеших маршрутах без сотрудников ООПТ запрещено.
Самый востребованный маршрут – «Линии леса», где находится природный вольер с сусликами. С апреля по август можно понаблюдать за их активностью, а также узнать об их жизни из материалов, размещенных на информационных стендах.
Помимо этого, для посетителей разработаны несколько водных маршрутов для людей с разным уровнем подготовки.
Воронинский заповедник – ключевая орнитологическая территория России международного значения. Водно-болотные угодья заповедной территории являются важным местом остановки птиц на весенне-осенних перелётах и районом гнездования водоплавающих птиц.