L'histoire des fleuves issus du Massif Central, ancêtres de la Loire, remonte à la fin de l'ère secondaire. À cette époque, de la vieille montagne usée du Massif Central, plusieurs cours d'eau descendent vers le nord et atteignent la Manche. La formation des Alpes, il y a 25 millions d'années, marque une étape décisive, basculant et soulevant le Massif Central. Les couches calcaires qui l'épaulent se plissent et se fracturent, et l'érosion se développe, faisant apparaître le relief des buttes et cuvettes encore visible aujourd'hui. Depuis l'ère quaternaire, la Loire érode, sur les traces de ces torrents, et creuse ou remblaie, suivant les glaciations et le niveau de la mer.
La butte de Saint-Andelain est située à la limite des couches calcaires dures et de la craie, et les coteaux de la butte correspondent précisément à l'affleurement marneux, offrant une bonne exposition au soleil pour la vigne. Le sommet de la butte est recouvert d'argiles à silex, qui donnent un goût unique de pierre à fusil au Pouilly fumé.
Le rebord de la butte en surplomb de la Loire offre un belvédère naturel, et le chemin en balcon sur la Loire passe par la croix des nues, appelée jadis croix des pains tortillés. La fontaine des plumes est une source-fontaine qui se trouve à flanc de coteau, et la prée est une prairie qui signifie "pratum" en latin.
La forêt alluviale est colonisée par des ormes et des frênes, qui indiquent que l'eau est proche dans le sol. L'ancien bras de Loire isolait l'île du coteau, et les gros peupliers révèlent son ancienne rive. Le pavillon du milieu de Loire occupe le site d'une ancienne oseraie naturelle, où l'on récoltait des jeunes rameaux de saules pour la confection des paniers en osier.
L'église de Pouilly est dédiée à Saint Nicolas, patron des mariniers, et à Saint Vincent, patron des vignerons. La culture de la vigne se développe en Gaule suite à la conquête romaine, et elle gagne la Bourgogne dès le 2e siècle, puis la vallée de la Loire au 4e siècle. Pauliacum (Pouilly) est à l'origine un domaine rural, et son nom provient soit d'un éventuel fondateur Paulus, soit d'une déformation du mot celte "pol" signifiant lieu humide.
La voie romaine longeant le fleuve est identifiable à son chemin pavé, et elle descend droit sur Pouilly au cœur du vignoble. La loge aux moines est située entre Pouilly et le hameau des Loges, et elle désigne le petit vallon cultivé dès le 13e siècle par les moines chartreux de Bellary.
La Loire se trouve exactement au milieu de son long parcours jusqu'à l'océan Atlantique, et les apports sédimentaires du fleuve sont à l'origine de la structure en tresse de son lit. Les îles de toutes tailles, les plages de graviers, les multiples chenaux sont créés et remaniés sans cesse par la dynamique fluviale. Le classement en réserve naturelle du site sur une longueur de 20km correspond à la volonté de préserver cette séquence représentative de la Loire dans son cours moyen.
L'île de Pouilly est un site en évolution permanente, et le sentier de l'île visite un site qui était autrefois une île, rajeunie au fil des temps par les crues. La grève est colonisée chaque année par des plantes pionnières qui effectuent leur cycle vital rapidement, et des oiseaux particuliers ont besoin des grèves pour pondre leurs œufs. Le talus de la rive est stabilisé par une végétation de saules blancs et de peupliers noirs, et les castors les abattent afin d'en déguster les jeunes rameaux ou pour recouvrir l'entrée de leur terrier.
Le rio, bras de Loire emprunté par le fleuve en hautes eaux, s'assèche en période d'étiage, et les sangliers et les chevreuils le traversent pour pâturer en face sur l'île des Loges. De nombreux oiseaux vivent dans le chenal où ils trouvent refuge et nourriture.
