Il parco si sviluppa su una superficie di 14 ettari circa, che dal Palazzo Ducale e dalla Via Giardini risale la pendice del Monte dei Frati, sino a sfumare nel circostante paesaggio forestale. A parte un’ampia radura sul retro dell’edificio, l’area è interamente rivestita da una densa macchia alberata nella quale si alternano gruppi di conifere (soprattutto abeti rossi) e caducifoglie (in prevalenza aceri e querce). Per quanto la ricchezza botanica del parco fosse in origine notevolmente superiore, ancora oggi, percorrendone i sentieri, è possibile osservare una rilevante varietà di specie arboree, sia autoctone che esotiche, con esemplari di dimensioni veramente notevoli. Su tutti spicca il famoso “pinone”, un monumentale cedro del Libano che rappresenta il simbolo del parco.

Salendo lungo la statale verso Pavullo, in prossimità dell’abitato il paesaggio, dominato dalle macchie verde cupo delle conifere, assume un aspetto quasi alpino. È questa, infatti, l’immagine che è oggi offerta dal Parco Ducale e dalle aree immediatamente circostanti, frutto delle piantagioni eseguite a metà dell’Ottocento, ma soprattutto dei rimboschimenti del secolo successivo, che hanno portato alla completa chiusura della copertura arborea, salvaguardando solo la radura sul retro del palazzo e quella, molto più limitata, all’estremità nord-orientale del parco, nei pressi del “sassone”, un isolato macigno in arenaria nei pressi dell’ingresso più alto. Gli ingressi principali si trovano più in basso lungo la Via Giardini, dove recenti interventi hanno portato alla realizzazione di alcune aiuole ornamentali davanti al palazzo, alla chiusura con siepi e staccionate del fronte sulla via e alla sistemazione dei numerosi sentieri in ghiaia che si sviluppano dal palazzo alle diverse aree del parco. Prendendo verso nord il sentiero che nel primo tratto costeggia Via Giardini, si incontra il busto in bronzo di Raimondo Montecuccoli (1609-1680), celebre condottiero nativo di Pavullo che nel 1664 guidò le truppe austriache nella battaglia di Mogersdorf, sconfiggendo l’esercito ottomano sulla via di Vienna; poco oltre si raggiunge la sorgente “montanina”, una delle fonti più rinomate dell’intero territorio. Più avanti il percorso comincia a salire con ampi tornanti tra formazioni di abete rosso e dense macchie di acero montano. Proseguendo in direzione nord si arriva al “sassone” e all’attigua piccola radura, attrezzata come punto di sosta e procedendo ancora si raggiunge un’ampia abetina introdotta da uno spettacolare abete bianco che raggiunge i trenta metri di altezza. In questo punto si è ormai sul confine orientale del parco, anche se il limite non segnalato e nemmeno percepibile perché il bosco prosegue anche oltre, facendosi progressivamente più intricato e ricco di arbusti. La parte maggiormente strutturata del parco è quella sul retro del palazzo, messa in comunicazione con l’edificio attraverso una terrazza che in epoca ducale era una sorta di salotto all’aperto in asse con la sommità del Monte dei Frati, il padiglione alpino che esisteva sino ai primi del ’900 (poi rimpiazzato da un semplice gazebo) e, più in basso, la vasta radura erbosa che tuttora rappresenta il cuore del parco. Qui crescono gli esemplari arborei più imponenti, sia esotici (cedri del Libano, sequoie della California, sequoie giganti, tuie giganti), sia autoctoni (tigli, faggi, aceri montani), diversi dei quali risalenti all’impianto originario. Al limite settentrionale della radura si trova una fontana con una vasca circolare, realizzata negli anni ’20 del secolo scorso, e poco sopra una fontana a getto continuo dalla quale un rigagnolo scende verso la Via Giardini (a testimonianza della ricchezza di acque che caratterizza tutta l’area del Monte dei Frati). Sopra la radura riprende la densa copertura arborea, più in basso formata da conifere (abeti rossi, ma anche pini neri e silvestri) e più in alto da una fustaia dominata dal cerro che si inerpica sino alla sommità del Monte dei Frati. Seguendo il sentiero che dal palazzo va in direzione sud, si raggiunge in breve l’ingresso di una galleria, il cosiddetto “Buco sul Monte”, un lungo traforo rettilineo realizzato dall’ingegnere Antonio Vandelli tra il 1854 e il 1857 che permetteva di superare le pendici di Monte dei Frati e raggiungere le “pianelle”, dove alcuni terrazzamenti e un edificio in rovina ai piedi di una parete di arenaria esposta a sud segnano il luogo dove Francesco V, ultimo duca di Modena, volle che fosse impiantata una vigna (nel corso degli anni ’50 del secolo scorso il Club Alpino Italiano lo utilizzò come campo sperimentale per piante aromatiche e officinali). Da qui, scendendo verso l’impluvio del torrente Bago, è possibile compiere il periplo della parte orientale del parco, aggirando la sommità del Monte dei Frati e raggiungendo il “sassone”.

La storia del parco è strettamente legata a quella del Palazzo Ducale, fatto costruire dal duca Francesco IV d’Este (1779-1846) con il duplice scopo di dotare la corte estense di una residenza idonea a trascorrere periodi di villeggiatura in montagna e di valorizzare l’immagine della porzione più povera e lontana del ducato. L’edificio, di impianto semplice e austero, fu progettato dall’ingegnere Sante Cavani secondo i canoni dell’architettura neoclassica. La posa della prima pietra venne effettuata nel corso di una fastosa cerimonia il 1° novembre 1830, ma in seguito i lavori procedettero con lentezza: furono interrotti nel 1835, ripresi nel 1838 e solo nell’autunno 1844 la corte poté risiedere, per appena nove giorni, nella nuova dimora (nelle estati successive il soggiorno a Pavullo, anche per lunghi periodi, divenne un’abitudine). Il parco prese forma a partire dal 1843, grazie al capo giardiniere ducale Karl Huller, che continuò a svilupparlo anche dopo la morte di Francesco IV e sino alla caduta del ducato nel 1859. Nel suo momento di massimo splendore, il parco abbracciava un vasto territorio, che si estendeva per decine di ettari intorno al palazzo. Sul retro, verso monte, il giardino di impianto paesistico, ricco di boschetti, macchie di conifere, radure, rocce e piccoli rii, finiva per confondersi nel paesaggio montano circostante, mentre sul fronte dell’edificio si estendevano le praterie reali, dodici ettari di prati e medicai mantenuti sempre verdeggianti dove pascolavano sei cavallini dalmati. In prossimità del palazzo il parco diventava un giardino ornamentale e di rappresentanza, con aiuole di piante annuali e di bulbose e una galleria arborea che accompagnava l’accesso delle carrozze. Nei quasi vent’anni di cura del parco, Huller mise a dimora diverse migliaia di alberi e arbusti: numerose conifere (abeti rossi e bianchi, pini neri e silvestri, larici, cedri), diverse specie tipiche del paesaggio vegetale padano (olmi, tigli, frassini, aceri montani, ricci e campestri) e varie caducifoglie esotiche (spini di Giuda, catalpe, robinie a fiore rosa, salici piangenti, mimose, ecc.). La parte centrale del giardino è particolarmente curata nella disposizione delle piante, mentre le aree periferiche sono occupate da zone boscate che via via assumono sempre più l’aspetto del bosco tipico della zona, costituendo un momento di integrazione con il paesaggio circostante; si assiste quindi alla riscoperta delle forme naturali nella loro manifestazione più spontanea. La tipologia botanica originaria del parco era molto più varia di quella attuale; alcune piante, quelle autoctone, provenivano dal vivaio dell’Orto del Castello della Famiglia locale Lollini, che aveva la proprietà di molte zone a nord-est del parco, prima che il Duca Francesco IV le acquisisse; altre essenze vennero direttamente dall’Austria, furono infatti trovati, a più riprese, frammisti al terreno, cocci di vasi con scritte in tedesco. Già allora come oggi, esistevano zone a bosco lasciate sviluppare in modo abbastanza naturale ed altre a boschetto maggiormente curate. Nella parte retrostante del Palazzo Ducale, ai margini dell’ampio prato del Pinone, la disposizione simmetrica di alcune essenze risponde a canoni neoclassici.
Attraverso il parco è possibile osservare quasi tutti i tipi di vegetazione che caratterizzano la zona di Pavullo: il querceto, il bosco di aghifoglie, il bosco di latifoglie con prevalenza di aceri, frassini e cerri. Originariamente vi era la presenza più massiccia di aghifoglie, abete, pino silvestre e larice, molto amate da Francesco IV; abbattute negli anni passati per l’ottima qualità del loro legno, hanno lasciato il posto a latifoglie come aceri, frassini robinie e cerri.
Con la fine del ducato, l’area, divenuta pubblica, venne sostanzialmente abbandonata all’evoluzione naturale sino agli anni ’20 del secolo scorso, quando il Corpo Forestale dello Stato ne curò il progressivo e geometrico rimboschimento, alterando irrimediabilmente il disegno originario del parco.