保护区位于东经: 118.71 (度) 北纬: 36.50 (度) ，为丘陵地带，地层是由许多薄如纸张的硅藻土页岩组成，海拔高100~450米。它在大地构造中属鲁西中台隆的一部分，地处临朐新生代山间断陷盆地内。气候为暖温带，年降水量为712毫米，集中降于6、7、8三个月。
距今约一千多万年前，地质史上第三纪中新世时期，山旺一带是一片湖泊，气候湿润，水里生长着大量的硅藻，陆地上有亚热带落叶和常绿阔叶混生林，许多动物栖息其间。随着硅藻的沉积，植物和动物遗体埋在硅藻土层中，形成了化石。
据地质、古生物学家考证，在地质年代史上，山旺化石属新生代第三纪中新世。约1800万年前，山旺一带是一片宁静清澈的浅水湖，湖水周围环山，稍远还有活火山。火山喷出物随水进入湖里，使湖内含有丰富的可溶性氧化硅，再加当时这里是温带到亚热带气候，有利于动植物的生长繁殖，硅藻丛生，百花盛开，许多动物嬉水追逐。随着地理的变迁，动植物遗体沉积到湖中。湖里极为宁静的沉积环境和轻而细腻的沉积物--硅藻土，再加上硅藻土中含有的大量硫化铁结晶和磷核，这种极其特殊的条件，造成动植物遗体不受外界环境的破坏，使山旺形成的硅藻土页岩中保存了完好的古生物化石。
民国《临朐续志》记载:"尧山东麓有巨涧，涧边露出矿物，其质非土非石，层层成片，揭视之，内有花纹，虫者、鱼者、兽者、山水、花卉者不一，俗名'万卷书'"。事实上，则是硅藻页岩，亦称"矽藻土"、"硅藻土"。硅藻页岩质地细腻，颜色灰白，微理层极为发育，1厘米厚可达四五十层，许许多多的古生物化石就蕴藏其中。它形成于距今大约1800万年，为地质史上的第三纪中新世。
1934年秋，中国地质调查所新生代研究室副主任、古生物学家杨钟健，从齐鲁大学地质系获悉山旺有保存很好的动、植物化石。1935年5月。杨钟健去山旺进行首次科学调查，除植物和鱼以外，还发现了昆虫、两栖、爬虫和哺乳动物化石。后来发表了山旺地层古生物的第一篇论文。之后，古生物学、地质学界的专家、学者前往考察、采集标本，从此山旺引起国内外学者的重视。
1955年，当地政府成立了一个硅藻土矿，将开采到的硅藻土和夹杂在其中的化石，作为化工原料粉碎使用。使不计其数的化石变成了矿粉。直到1980年，国务院将山旺化石区定为全国重点自然保护区，才停止了硅藻土矿的开采。
1976年发现的"山旺山东鸟"经鉴定为雉科，新属新种，填补了我国第三纪鸟化石的空白。1978-1979年，又先后在山旺发现三只鸟化石标本，鉴定为雉科"临朐硕大鸟"、鸭科"硅藻中华河鸭"、秧鸡科"秀丽杨氏鸟"。1978年这里发现的无角犀化石，身长2.3米，高2.17米，是中国第三纪中新世第一个完整的犀牛骨架。
1978年10月，中国古生物学家在山旺召开现场会，与会专家对山旺化石作了高度评价，并提出对化石产区应严格保护的建议。1980年国务院批准山旺化石产地为国家自然重点保护区，1982年山东省人民政府为了更好地保护、开发、研究和利用山旺化石，决定成立"山旺古生物化石博物馆"。1985年4月临朐县政府建立山旺古生物化石陈列馆1985年和1988年组织了山旺化石国际学术讨论会和国际环太平洋地区晚第三纪海陆事件学术讨论会。。
1994年，中国科学院古脊椎与古人类研究所、北京大学、中国地质大学等单位，进行了保护性开采，在保护区南部边缘地带的1号发掘点，第一次进行有组织有计划的发掘研究，发掘面积600平方米，4.1米深，发现了埋藏较为集中的化石层15个，发掘动、植物化石上万件，发现了化石动、植物群。
1999年10月18日，山旺被国土资源部、国家环保总局确定为国家地质遗迹保护区，2001年12月10日，"山旺国家自然保护区"被国土资源部批准为国家地质公园后，国家先后投入2000万元对1.2平方公里的山旺国家地质公园核心区域的地质遗迹进行了科学的保护性建设，并发崛出土保存完整的大型脊椎动物，如无角犀牛、原古鹿、中新貘等，还有各类昆虫、蜘蛛、蝎子和植物叶片及硅藻等古生物化石达600多件。
保护区古生物化石群是距今约1800万年的第三纪中新世开始形成的。地层由许多薄如纸张的硅藻土质岩组成。因此，人们形象地称这里的地层为化石宝库的"万卷书"。地层所含化石种类繁多，目前经过研究定名的种类多达9个门400多种，其中有1/3是已灭绝的属种。植物化石中有藻类、苔藓、蕨类、裸子植物、被子植物，花、果实、种子保存完好，其中有亚热带的榕树和樟树。植物中藻类数量有近100个种。
山旺化石种类繁多，门类齐全，保存完整。已发现10多个门类，400多种属。植物化石中，包括藻类、苔藓、蕨类、裸子和被子植物，花、果实和种子也保存很完美。动物化石种类也很多，计有昆虫、鱼类、两栖类、爬行类、鸟类、哺乳类等各纲都有。其中昆虫已有272种，分别归入12目、74科、161属，其中绝大多数为化石绝灭种，近三分之一为化石绝灭属，19个为首次发现的现代生存种化石。有的青蛙如玄武蛙不但保存了骨骼的印痕，还保存了皮肤的印痕，这也是少见的。在脊椎动物中，鱼类化石最为丰富。鸟类多树栖生活，死后保存下来成为化石的机会很少。山旺硅藻土页岩轻薄细腻，为保存鸟类化石提供了有利条件，1976年发现的"山旺山东鸟"经鉴定为雉科，新属新种，填补了中国第三纪鸟化石的空白。1978-1979年，又先后在山旺发现三只鸟化石标本，鉴定为雉科"临朐硕大鸟"、鸭科"硅藻中华河鸭"、秧鸡科"秀丽杨氏鸟"。完整的鸟化石的多次发现，在世界上也是极少见的。早期长颈鹿-三角原古鹿和东方祖熊的骨架是完好的标本。40多具柄杯鹿骨架组成了十分壮观的柄杯鹿群，它们和无角犀，解家河古摸、古象等一起组成了山旺动物群。
山旺地下的孢子花粉种类多，从低等植物藻菌类、蕨类，到无果皮的裸子植物和有果皮的被子植物都有。动物化石中有昆虫、鱼类、两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类。有已经灭绝的犀、貘、鹿、熊等大型哺乳动物的祖先类型。1978年发现的近无角犀骨架化石，是中国发现的第一具中新世完整的犀牛骨架。无脊椎动物以昆虫为最多，不但种类丰富，而且保存完整，有的个体甚至还保留着鲜艳的色彩。已经鉴定的160种，蚁类多达20多种。它们比现代种具有个体大、较完整的特征。
脊椎动物中，有中国特有的鱼群组合包括鲤形目、鲈形目。仅鲤科化石就有8属10种，其中5属6种为新发现。大部分已经灭绝。
在山旺化石中，爬行类有3种，蛇类化石保存完整。1984年在山旺第一次发现钝吻鳄的化石。
(1)东方祖熊化石--小型食肉目动物，它的个头和外貌同大灵猫比较相似。这种古老的动物被认为是熊类早期的一个旁支。
(2)解家河古貘--是貘科动物中的一个新种，代表着貘科进化中的一个已经灭绝的旁支。这种古老动物现存仅5种，生活在美洲和马来西亚的热带森林里，十分肥壮，胆量极小，怕人，也怕虎、豹。
(3)细近无角犀--犀类个体中最大的一种，与现生犀类相差不多，只是无角。而现生犀类都有角。一头无角犀化石，高约1.5米，长约2.2米。在山旺共发现5只这样大的无角犀。
(4)山东原河猪化石--同现生猪比，个体较小，头短而大，雄性有细长的獠牙，牙齿简单而原始。
(5)冠氏柄杯鹿化石--山旺发现最多，保存最好的一类，有60多只。现已灭绝，雄性有角，角长在眼眶上面，而且终生不失。而现生鹿雄性多数每年春天要脱角的。
山旺古生物化石不仅种类多，而且保存完美，如一些植物叶面上的叶脉、色泽、昆虫的翅、爪、蝙蝠的膜翼都清晰易辨，有些还显现出死前挣扎的形态，山旺地层中能保存这么完整的化石在世界上是罕见的。各种动植物在"万卷书"上印痕清晰，千姿百态，栩栩如生。这些化石不仅完整地保存了大型哺乳动物的骨骼，就连极细微的昆虫纤毛也留其原貌。如狼蛛的足爪、足毛及腹部的细毛，蜻蜓的翅膀、蝙蝠的翼膜、老鼠的须毛、树叶的细脉，都清晰可辨，历历可数。甚至连极难成为化石的蝌蚪、蝾螈和花朵等，都十分完好地保存下来。蜜蜂、枫叶等许多化石，还保持了原有的鲜亮色彩。
古生物化石是古地理、古气候的"见证人"，它能够帮助人们了解不同时期古地理、古气候的变化情况。因此，对山旺化石群的研究，对了解生物发展演化的历史过程有着重要的意义，对探索中国华东北部新生世生物群、古地理、古气候、地层对比等提供了重要依据。山旺化石的研究，为探索中国华东北部中新世生物群、古地理、古气候以及地层对比等提供了重要依据，对中国黄河、东海大陆架矿产资源的开发，也将有一定意义。
