L'istituzione di questa Riserva naturale è motivata principalmente dalla presenza, all'interno dei caratteristici boschi di castagno e quercia, di numerosi esemplari di faggio, una specie di ambiente montano rifugiatasi sulla Collina Torinese durante le ultime glaciazioni e per questo considerata "relitto glaciale". Pregevole è la coesistenza di ambienti diversi, caratterizzati da una grande ricchezza floristica, in cui le specie montane si incontrano con la flora di origine mediterranea "migrata" dalla vicina costa ligure durante i periodi interglaciali. Fra le rarità botaniche citiamo il giglio martagone, il fior di stecco e diverse specie di orchidee. Un aspetto importante della Riserva è la gestione forestale, improntata ai criteri della selvicoltura naturalistica; infatti il protrarsi dei tagli boschivi tradizionali (ceduo a turni brevi) avrebbe portato lentamente alla scomparsa del faggio. La fauna della Riserva non si differenzia da quella degli ambienti collinari piemontesi: fra i mammiferi sono presenti volpe, tasso, faina, donnola, riccio, scoiattolo; fra gli uccelli poiana, sparviere, allocco, civetta, picchio verde e picchio rosso maggiore, upupa, zigolo nero e numerose specie di passeracei. L'ambiente collinare è caratterizzato dai cosiddetti "Bric", con versanti ripidi sul lato padano, in cui ricade il Bosco del Vaj, e con pendii assai più dolci sul versante meridionale. La presenza di rocce tenere, poco consistenti e facilmente erodibili (arenarie nella parte inferiore e marne in quella superiore) è alla base della notevole franosità della zona. Fin dal Settecento, i naturalisti trovarono numerosissimi fossili, reperti ed impronte di organismi vegetali ed animali, vissuti in epoche remote e conservati negli strati rocciosi originatisi da sedimenti marini.
Il Bosco del Vaj, insieme col Bosc Grand, è anche Sito di Importanza Comunitaria: Sic Bosco del Vaj e Bosc Grand.