Šmarna gora je bila nekoč kot gorovje povezana s Polhograjskimi Dolomiti in z Rašico. Nižina, ki jo občudujemo z vrha proti jugu in ji pravimo Ljubljansko polje, je bila takrat gričevje, na drugi, severni strani pa se je del površja ugrezal. Tako je nastala udorina na območju današnje Ljubljanske kotline, ki pa je dobila današnjo površinsko oblikovanost šele po obdobju poledenitev.

Reka, ki je bila predhodnica Save, je tekla takrat bolj severno, v smeri zahoda proti vzhodu. Kasneje se je prebila med Šmarno goro in Rašico, nato pa še enkrat prestavila svojo strugo med Polhograjsko hribovje in Grmado. Prinašala je številne naplavine, prod in ilovico. Reka je svojo strugo izmenoma poglabljala ter naplavljala. Ob tem se je struga menjavala. Nastale so še danes dobro vidne terase z ježami. Ježe so večinoma z drevjem in grmovjem poraščeni bregovi med terasami.

Šmarna gora je izjemna zaradi raznovrstne kamninske podlage (glej geološke značilnosti), na kateri so nastala različno plodna tla. Poleg tega zemljepisna lega omogoča delovanje več klimatskih vplivov. Od metra do metra se spreminjajo nadmorska višina, ekspozicija (lega glede na strani neba) in nagib. Če temu prištejemo še človekovo poseganje v prostor in naravo, skupaj dobimo vse povzročitelje izredne raznolikosti rastlinskega pa tudi živalskega sveta. Predstavniki rastlinskega in živalskega sveta imajo namreč vsak svoje ekološke zahteve (po toploti, vlagi, svetlobi ...), mnogim od njih uspejo zadostiti prav ekološke razmere na Šmarni gori.

Majhna, a dragocena znamenitost je tudi Matjaževa jama. To je prava kapniška jama z naravnim oknom v stropu. Nahaja se v pobočju Gradišča ali Matjaževega hriba le nekaj deset metrov nad nižino v Zavrhu.