Le tunnel se présente comme une longue galerie presque rectiligne à fond plat, creusée à flanc de coteau à travers des bancs de rochers houillères du Carbonifère moyen (Westphalien), et de section rectangulaire de 2,7 m x 2,15 m avec une rigole latérale d'environ 0,3 m. Sa longueur actuelle atteint 1600 m (dont 1300 m dans un état de conservation remarquable) mais les 300 derniers mètres sont inondés suite à un effondrement de la voûte (vers 1280 m). La déclivité moyenne étant de 1%, on note un écoulement continu d'eau recueilli dans la rigole longeant une des parois de la galerie qui abouti aux égouts de Bressoux.
La galerie traverse plusieurs veines de houille de 20 à 70 cm de large qui furent exploitées à différentes époques (les premiers témoignages connus remontant au 14e siècle). Cette exploitation a nécessité l'aménagement de petites galeries annexes et de puits d'aération. Par endroits, la voute du tunnel s'est effondrée et a justifié des travaux de maçonnerie. Des zones de percolation sont visibles localement et sont indiquées par des pseudo-concrétions aux coloris remarquables (d'après le CWEPSS et ROCHEZ et DETHIER, 2005).
Bien que d'origine artificielle, la galerie de la Chartreuse abrite une faune cavernicole remarquablement diversifiée, dont l'étude est d'ailleurs facilitée par la topographie du site. Un inventaire systématique est en cours depuis 2000 et les premières données ont été synthétisées par ROCHEZ et DETHIER (2005).
A ce jour, 43 familles d'invertébrés y ont été recensées avec plus de 50 espèces identifiées, dont une vingtaine d'éléments troglophiles et deux troglobies.
Parmi les troglophiles, on peut relever plus particulièrement :
- l'araignée Metellina merianae,
- le pseudoscorpion Roncus lubricus,
- le copépode Diacyclops bisetosus,
- les collemboles Tomocerus minor et Sinella caeca,
- le carabe Trechoblemus micros,
- le staphylin Quedius mesomelinus
- et enfin le diptère mycétophilide Speolepta leptogaster.
Parmi les vrais troglobies ou qui peuvent être considérés comme tels figurent l'amphipode Niphargus schellenbergi, dont une importante population occupe les eaux de la galerie de la Chartreuse, et l'araignée Porrhoma convexum, connue d'une dizaine de grottes en Wallonie.
Cette diversité s'explique par la très grande diversité de microbiotopes de la galerie incluant des flaques, des zones inondées, des fissures, des éboulements, etc.
Le tunnel en lui-même fut creusé vers le milieu du 19e siècle. Il est situé à l'endroit d'une des plus anciennes exploitations de houille du pays. Les premiers témoignages remontent ainsi à 1356, suite à l'octroi, par l'abbesse de Robermont, d'une veine de houille dite 'del Tombéal'. Par la suite, de nombreuses exploitations ont eu lieu, notamment du 14e au 17e siècles.