Als südöstlicher Ausläufer des Thieberges bildet der Waldhügel mit 94 m ü. NN die höchste Erhebung im Stadtgebiet. Der Waldhügel zeichnet sich ebenfalls durch seine Kalkschichten und den daraus resultierenden Kalkabbau aus. Außerdem weisen versteinerte Muscheln, Schnecken, Ammoniten und Seeigel in den Aufschlüssen des Steinbruchs darauf hin, dass es sich bei den Kalkschichten um Meeresablagerungen der Unter- und Oberkreide handelt. Diese entstanden vor ca. 100 Millionen Jahren.

Betrachtet man den Waldhügel ein wenig mehr von der biologischen Seite, dann kann man feststellen, dass der Waldhügel aus verschiedenen Kalksteinschichten mit eingelagerten Mergelschichten besteht. An den Hangfüßen tritt eine andere, etwas jüngere Art des Kalkgesteins auf, die von eiszeitlichen Sanden überlagert sind. Die hier zutage tretenden Kreideschichten sind ein begehrter Rohstoff für die Kalkindustrie, dessen Geschichte an dieser Stelle bis in das 14. Jahrhundert zurückgeht.

Im Norden des Gebietes ist der Kalkabbau bereits abgeschlossen und ursprünglich beabsichtigte die Stadt, die Abbauflächen vollständig mit Boden und Bauschutt zu verfüllen. Auf den nicht genutzten Abbausohlen entwickelten sich jedoch im Laufe der Zeit ökologisch wertvolle Trockenrasenkomplexe, sodass sich die Stadt später dazu entschloss, Teilbereiche ganz dem Naturschutz zu überlassen.

Heute ist der Waldhügel ein Mosaik aus relativ naturnahen und wenig beeinflussten Bereichen, wie zum Beispiel dem Waldmeister-Buchenwald, oder dem Orchideen-Buchenwald, abgebauten und zunächst sich selbst überlassenen Kalkstandorten, die von der Natur zurückerobert wurden. Ein Beispiel hierfür ist der Abgrabungssee.

Von den hier vorkommenden 918 Pflanzenarten sind 55 in ihrem Bestand gefährdet oder vom Aussterben bedroht. Um die Eigenarten und Besonderheiten des Gebietes zu erhalten und zu entwickeln, wurde vom Umweltreferat der Stadt Rheine ein Pflege- und Entwicklungsplan erstellt.

Auf Grund dieser seltenen Pflanzen und der weiteren Besonderheiten des Waldhügels, wurde dieser 1994 unter Naturschutz gestellt. Die Ausweisung zum Naturschutzgebiet ist nicht zuletzt dem Engagement des Fördervereins Waldhügel e.V. zu verdanken.