Kräftig gewundenes, im oberen Bereich 250 bis 300 m, im mittleren Bereich etwa 100 bis 250 m tief in die Tonschiefer, Sandsteine und Grauwacken eingeschnittenes Tal, das in einer Höhe von 330 bis 450 m ü. NN liegt. Es lassen sich drei verschiedene Terrassenniveaus unterscheiden, die besonders in den Innenbögen der Schlingen zu erkennen sind. Die zerrunsten Prallhänge steigen dagegen steil in die Höhe. Auf den Hängen stehen vor allem Eichen-Hainbuchenwälder. Nach dem Austritt in die Rheinebene wird die Niederung der Sieg, die hier auch mit der Agger zusammenfließt, breiter und ist mit Auen und Inselterrassenresten ausgefüllt, die bei Hochwasser überflutet werden. In diesen Auen befinden sich einige Altarme. Hier werden die Auen auch ackerbaulich genutzt, während die flussaufwärts gelegenen Talböden hauptsächlich Wiesen und Weiden tragen.
Die Nutzungsstruktur des Siegtals ergibt sich einerseits aus der landwirtschaftlichen Bewirtschaftung, andererseits aus den Laub- und Mischwäldern. Das westliche Siegtal ist geprägt durch die Zunahme der Siedlungsdichte um und östlich von Siegburg. Im Nordwesten herrscht ackerbauliche Nutzung vor. Das Siegtal östlich von Allner wird vorwiegend durch ein Mosaik aus Wiesen und Weiden sowie Laub- und Mischwäldern bestimmt.
Mehrere NSG begleiten den Lauf der Sieg und beinhalten feuchtes oder nasses, teils braches Dauergrünland mit Großseggenriedern, Abgrabungsseen, Altarmen, naturnahen Flussschleifen mit Kiesinseln sowie Steilhangwälder und Wärmehänge mit Magergrünland, Obstwiesen und Gebüschen. Viele Arten und Biotoptypen von internationaler Bedeutung oder solche, die gefährdet sind, kommen hier vor, unter anderem Schmetterlings- und Fledermausarten. Das Siegtal ist Bestandteil des Naturparks "Bergisches Land". Die Siegmündung unterhalb des Zuflusses der Agger ist als FFH-Gebiet gemeldet. Neben den Schutzgebieten sind weitere Waldflächen und/oder besonders trockene und feuchte Bereiche als "National bedeutsame Flächen für den Biotopverbund" erfasst worden.