Der Dünnwalder Wald ist innerhalb des Naturraums Bergische Heideterrasse der Freiraumkomplex zwischen der Dhünn-Aue, Köln-Dünnwald, Köln-Dellbrück, Leverkusen-Schlebusch und Bergisch Gladbach (Nittum, Hoppersheide, Seelsheide, Katterbach, Paffrath), benannt nach dem größten Schutzgebiet innerhalb dieser Kulisse. Die Westgrenze des Naturraums ist immer die Mittelterrassenkante, die parallel zum Mauspfad verläuft und nördlich des Dünnwalder Siedlungsbereichs in Richtung Nordwesten abschwenkt.
Für die Entstehung seines Namens gibt es zwei Theorien: Entweder standen der Fluss Dhünn oder die zahlreichen Binnendünen Pate. Tatsächlich hieß Dünnwald Mitte des 19. Jahrhunderts noch "Dünewald". Fest steht jedenfalls, dass die Binnendünen Dünnwalds heute fast ausnahmslos bebaut oder aufgeforstet sind, von den einstigen Heide- und Moorflächen der Dünnwalder Gemeindeheide und angrenzender Heidegebiete kaum etwas übrig geblieben ist. Die Forstwirtschaft des 20. Jahrhunderts ersetzte diese und alte Bauernwälder weitgehend durch die heute landschaftsprägenden monotonen Kiefernforste, andere Teilflächen gingen durch die Siedlungsausdehnung verloren. Flur- und Ortsnamen wie Seelsheide oder Isborns Heide erinnern heute noch daran.Aber dennoch ist ein Teil der ehemaligen Vielfalt erhalten, nicht nur in den inselartig eingestreuten und relativ kleinen Naturschutzgebieten Mutzbach (K/RBK), Diepeschrather Wald (RBK), Nittum-Hoppersheider Bruch (RBK), Ehemalige Kiesgrube am Südring (LEV) sowie Am Hornpottweg (K). So unterschiedliche Landschaftsbestandteile wie der Wildpark Dünnwald, der Höhenfelder See - eine ehemalige Kiesgrube, der ein Großteil der Dellbrücker Heide zum Opfer fiel - oder der Diepeschrather Wald östlich bis Katterbach und Paffrather Mühle werden zu diesem Teilraum gerechnet und beherbergen noch wertvolle Arten und -gemeinschaften. Sie stehen, wie der gesamte Freiraum, vollständig unter Landschaftsschutz: im Rheinisch-Bergischen Kreis zählen sie zum Landschaftsschutzgebiet "Bergische Heideterrasse", in Köln zu den Landschaftsschutzgebieten "Dünnwalder Wald" und "Dellbrücker Wald".
Über die Dhünnaue ist der Dünnwalder Wald mit nördlichen Heideterrassengebieten und angrenzenden Naturräumen vernetzt. Nach Osten, zu den Schutzgebieten der rheinischen Hauptterrasse, gibt es nur noch einen stark beeinträchtigten Biotopverbund über den Weidenbach. Deutlich besser ist die naturräumliche Vernetzung nach Süden zu den unmittelbar angrenzenden Naturschutzgebieten Dellbrücker Heide und Thielenbruch. Außerdem besteht ein direkter Biotopverbund zu Dünenstandorten der älteren Niederterrasse (Embergdüne, Am grünen Kuhweg, Von-Diergardt-See).
Die ökologisch wertvollsten Bereiche befinden sich im Nordosten des Heideterrassen-Teilraums in Gestalt von Moorwäldern. Sie stehen noch nicht unter Naturschutz, weisen aber bspw. einen der landesweit größten Vorkommen des Kleinen Helmkrauts auf. Herausragend sind ferner naturnahe Abschnitte des Mutzbachs im gleichnamigen Naturschutzgebiet mit großer Geophyten-Vielfalt (u.a. Wald-Goldstern, Gelbes Windröschen) und alten Buchenbeständen, die Dank der Nachbarschaft zu den Diepeschrather Wiesen Grauspecht und Hohltaube Lebensraum bieten. Eine wechselfeuchte Wiese am Höhenfelder See beherbergt noch ein Seggenried mit Fuchs-Segge und Zungen-Hahnenfuss. Erlenbruchwälder mit Sumpfveilchen und Königsfarn sind noch im Hoppersheider Bruch und Diepeschrather Wald reliktär erhalten. Das NSG am Hornpottweg besteht v.a. aus einer ehemaligen Kiesgrube mit Teichen, Röhrichten und Magerweiden, in welchem noch Neuntöter und Wasserralle vorkommen. Heidebiotope u.a. mit Hundsveilchen und Rauer Nelke sind nur noch punktuell und außerhalb der Naturschutzgebiete vorhanden.