La Tillaie est une des sept réserves biologiques intégrales de la forêt domaniale de Fontainebleau. Elle est une héritière d'une des anciennes séries artistiques créées par décret impérial en 1861 et qui ont été les premiers espaces naturels protégés au monde. En 1953 leur ont succédé les toutes premières réserves biologiques.

La forêt domaniale est en totalité concernée par la ZNIEFF de type 1 "Massif de Fontainebleau", sur laquelle sont calquées une ZSC et une ZPS. Elle fait partie de l'aire centrale de la réserve de biosphère de Fontainebleau et du Gâtinais. La forêt constitue également un site classé au titre de la loi sur les sites et paysages de 1930.

Les quatre parcelles de la réserve (270, 271, 269, 278) se trouvent dans le périmètre des anciennes séries artistiques créées par décret impérial du 18 juillet 1861. Cette mesure avait fait suite à la revendication des artistes qui souhaitaient voir les motifs de leurs œuvres (arbres remarquables, paysage, mares...) préservés des exploitations forestières. La forêt de Fontainebleau a été entre 1825 et 1860 un grand atelier de peinture et de photographie qui perdurera jusqu’en 1875 sous le nom de l’école de Barbizon.

Au XIXe siècle, la forêt de Fontainebleau était ainsi devenue un lieu de villégiature et de promenade très prisé. Les sentiers "Denecourt" créés à cette époque font partie du patrimoine historique de la forêt. Au début du XXe siècle, la pittoresque réserve de la Tillaie était parcourue par un nombre étonnant de ces sentiers et autres chemins (voir carte ci-dessous).

En 1953, les parcelles 270 et 271 sont classées en réserve biologique intégrale (RBI), tandis que les 269 et 278 sortent du classement en série artistique et sont remises en exploitation. En 1972, les 18 ha de ces deux parcelles sont plantés en chêne. En 1976, 4 ha supplémentaires sont semés en bandes sur la parcelle 269. Le reste de la surface est couverte de jeunes hêtres issus de la faînée de 1949.

En 2014, les parcelles 269 et 276 sont de nouveau intégrées à la RBI pour augmenter sa surface (la réserve historique ne faisait que 35 ha) et assurer une certaine continuité avec la RBI du Gros Fouteau et des Hauteurs de la Solle (dont elle reste néanmoins séparée par la RD 607).

Les parcelles 270 et 271 sont restées en libre évolution depuis 1861, à l'exception d'une exploitation d'arbres dépérissants ou morts sur réquisition de la préfecture de la Seine en 1944. Les parcelles 269 et 276 présentent évidemment un niveau de naturalité extrêmement inférieur, la contiguïté de ces deux paires de parcelles offrant sur le long terme des perspectives originales de suivi de la renaturation des jeunes peuplements.

La réserve de la Tillaie se trouve sur un plateau formé par du calcaire d'Etampes (Stampien supérieur lacustre) sur lequel s'est déposé un complexe de "limons des plateaux". Celui-ci est en partie constitué de sables de Fontainebleau (Stampien moyen ou supérieur marin), très siliceux, remaniés par le vent et mélangés de limons au Quaternaire.

La superposition de ces matériaux est déterminante pour la pédogenèse : plus la couverture de limons est épaisse, plus l'influence du calcaire est masquée et les sols sont acides. La composition de la végétation s'en ressent de la même façon. Les sols de la réserve vont des brunisols calciques aux podzosols.

Les habitats de la réserve sont la hêtraie atlantique à Houx (CB : 41.12 - N2000 : 9120) ou à Fragon ou Mélique uniflore sur sols moins acides (41.13 - 9130). Dans les parcelles 270 et 271, la hêtraie est d'une maturité remarquable avec de nombreux sujets âgés ou dépérrissants. Il a été noté un volume de près de 50 m3/ha de bois mort de hêtre et 40 m3/ha de chêne lors de la première campagne de suivi dendrométrique de la réserve. C’est un milieu extrêmement riche en gros bois et bois mort de toutes tailles.

Les parcelles 269 et 278 sont occupées par une chênaie plantée en 1972 (10 ha) et une hêtraie d'une soixantaine d'années, sous forme de bouquets en mosaïque avec la jeune chênaie.

Un des principaux intérêts de la réserve de la Tillaie réside dans la présence de nombreuses espèces de champignons, en particulier des lignicoles. 130 espèces ont été inventoriées. Certaines sont bioindicatrices des très vieilles hêtraies d'Europe (Auriantoporus alborubescens, Hericium coralloides, Hericium erinaceus, Inonotus cuticularis, Mycoacia nothofagi....).

En ce qui concerne les végétaux supérieurs, la flore est composée d'espèces forestière typiques. Elle comporte en particulier des espèces vernales à développement précoce (Jacinthe des bois, Anémone sylvie...). En été, le couvert dense des hêtres limite l'expression des espèces herbacées plus ou moins héliophiles.

A l’image de la fonge, l’intérêt faunistique de la RBI de la Tillaie concerne particulièrement les insectes liés aux bois morts ou en décomposition. On trouve dans cette réserve les microhabitats fondamentaux pour les coléoptères saproxyliques, en particulier les arbres morts de gros diamètres, des cavités au pied des arbres, des loges de pics... On note ainsi la présence de plusieurs espèces de coléoptères remarquables, dont le très rare Osmoderme ou Pique-prune (DH2 et 4, PN), ainsi qu'un staphylinidé (Quedius ochripennis) vivant sous l'écorce des hêtres morts sur pied et dans la carie rouge des vieux chênes.

13 espèces de chiroptères ont été détectées dans la RBI, ce qui est remarquable au regard de sa faible surface, dont le Murin à oreilles échancrée, le Grand murin et la Barbastelle d'Europe (DH2 et 4).

Les peuplements forestiers de la RBI sont laissés en libre évolution. Seules des opérations de sécurisation sont conduites le long des routes longeant la réserve (Route ronde, RD 607, route forestière empruntée par une piste cyclable). Les bois coupés sont laissés sur place dans la réserve.

A l'intérieur de la réserve, la circulation du public est interdite, principalement pour des raisons de sécurité du fait de l'abondance d'arbres morts et du risque de chute de branches. Des panneaux signalant cette interdiction sont disposés sur le périmètre.

En dehors de ces actions de sécurisation, la gestion de la RBI consiste essentiellement en études : suivi des peuplements forestiers, inventaires naturalistes (insectes, champignons, chiroptères...). Le site a depuis longtemps été concerné par de nombreuses études scientifiques.