Le bois de Grand-Leez s'inscrit sur un bas-plateau, à relief peu accusé, faiblement ondulé. L'altitude est comprise entre 155 m et 175 m, augmentant progressivement d'ouest en est.
Il se trouve sur la crête de partage des eaux des bassins hydrographiques de la Meuse (Orneau, Mehaigne) et de l'Escaut (Grande Gette).
Le socle géologique est constitué par du sable bruxellien, qui s'est sédimenté au cours de l'ère Tertiaire, voici environ 60 million d'années. Au cours du Quaternaire, ce socle fut recouvert par des limons éoliens qui se sont déposés par vagues successives pendant les périodes interglaciaires, entre 20 mille et 70 mille ans d'ici. Ces limons, aussi appelés loess, sont formés de particules beaucoup plus fines que le sable bruxellien (0,04 mm de diamètre, contre 0,2 mm). L'épaisseur de la couche limoneuse est très variable : au niveau du bois de Grand-Leez, elle peut ainsi varier entre 3 et 15 m.
D'après DELECOUR (2003), la très grande majorité des sols appartient au type de plateau, seuls quelques hectares relevant du groupe des sols de dépression. Il s'agit dans tous les cas de sols profonds, humides à très humides, défavorables à la culture.
Le bois de Grand-Leez relève de la chênaie atlantique mélangée à jacinthe des bois. Ce groupement, distribué dans l'ouest de la Moyenne-Belgique, est caractérisé par la présence de deux plantes bulbeuses à floraison printanière bien connues, à savoir la jonquille (Narcissus pseudonarcissus), fréquente par place, et la jacinthe des bois (Hyacinthoides non-scripta) très rare ici, alors qu'elle est abondante deux kilomètres plus à l'ouest, dans le bois de Buis.
La strate arborescente est dominée par le chêne pédonculé (Quercus robur). Les essences secondaires les plus fréquentes sont le frêne (Fraxinus excelsior), l'érable sycomore (Acer pseudoplatanus), le merisier (Prunus avium), l'orme champêtre (Ulmus minor), le charme (Carpinus betulus), le bouleau verruqueux (Betula pendula). Le hêtre (Fagus sylvatica) est très rare à cause de l'humidité excessive des sols en place. La plupart des espèces précitées se retrouvent dans la strate arbustive, avec en plus le noisetier (Corylus avellana), le sureau noir (Sambucus nigra), le sureau à grappes (Sambucus racemosa), la viorne obier (Viburnum opulus), les ronces (Rubus spp.), le sorbier des oiseleurs (Sorbus aucuparia), l'aulne glutineux (Alnus glutinosa), le chèvrefeuille des bois (Lonicera periclymenum), etc.
Diverses essences exotiques ont par ailleurs été plantées, heureusement très ponctuellement, comme l'épicéa commun (Picea abies), le sapin de Douglas (Pseudotsuga menziesii), les peupliers hybrides (Populus x canadensis), etc.
Dans le sous-bois, suivant la topographie, le degré d'humidité et l'acidité du substrat, se rencontrent diverses plantes comme le lierre (Hedera helix), le lamier jaune (Lamium galeobdolon), le lamier blanc (Lamium album), l'anémone sylvie (Anemone nemorosa), la méringie à trois nervures (Moerhingia trinervia), le sceau de Salomon (Polygonatum multiflorum), le millet (Milium effusum), le muguet (Convallaria majalis), le circée de Paris (Circaea lutetiana), la fougère-aigle (Pteridium aquilinum), le pâturin des bois (Poa nemoralis), etc.
Les ornières occupant les chemins accueille une flore particulière rassemblant notamment la renoncule flammette (Ranunculus flammula), diverses callitriches (Callitriche sp.), le poivre d'eau (Persicaria hydropiper), la glycérie flottante (Glyceria fluitans), la véronique des ruisseaux (Veronica beccabunga).
Sur la lisière occidentale du bois, à l'emplacement de l'ancien terrain de football, s'étend une prairie mésophile dans laquelle a été récemment observé le demi-deuil (Melanargia galathea), papillon très rare sur le plateau hesbignon, ainsi que l'orvet fragile (Anguis fragilis), reptile peu commun dans la région (obs. L. Wargé).
Comme plusieurs bois de Moyenne-Belgique, le bois de Grand-Leez constitue une relique de l'antique forêt qui couvrait, avant les grands défrichements survenus dès la préhistoire, la plus grande partie de la région. Il acquiert sa superficie actuelle au début du 20ème siècle.
A l'époque romaine, suite aux vastes déboisements intervenus le long des grandes voies de communication, le massif couvrant la région limoneuse est définitivement séparé des forêts de l'Ardenne. On sait, depuis les fouilles effectuées par DEL MARMOL (1876), que le bois de Grand-Leez a été occupé dès l'époque gallo-romaine (5ème siècle), au moins comme lieu de sépulture.
Au Moyen-Age, le bois est passé successivement aux mains de plusieurs abbayes (Saint-Denis, Lobbes, Floreffe) puis de châtelains locaux. Il est propriété communale depuis 1830 (un historique détaillé du bois de Grand-Leez est donné par DELECOUR, 2003 p. 22).