Le site se trouve en Thiérache, sur la rive droite de la Wartoise, rivière frontalière prenant sa source à Forge-Philippe et qui conflue avec l'Oise en France, après un trajet d'une vingtaine de kilomètres. Le versant occupé par le bois de Gratte-Pierre est orienté au sud et au sud-est.
On se trouve ici sur des affleurements du Cambrien, constitués de grès, quartzites, schistes et phyllades, soit en général des roches dures et acides. D'importants dépôts de limons éoliens sont en outre présents sur les plateaux et certains versants, ce qui leur confèrent une certaine fertilité.
Durant la traversée du bois, la Wartoise passe d'une altitude de 152 m à 142 m (sur une longueur de 1300 m environ). Ses eaux sont rapides et fraîches. Leur pH est de 6,9 avec une alcalinité de 0,31-0,32 (S.B.V.). Des blocs de quartzites forment de petits barrages engendrant une importante oxygénation des eaux. La largeur de la banquette alluviale est assez variable. Le cours de la rivière est assez sinueux et celle-ci se divise fréquemment en plusieurs bras.
Le climat de la Thiérache est moins rude et plus humide que dans le reste de l'Ardenne, ce qui s'explique par l'influence océanique plus forte dûe à la position géographique de cette région.
Le site se trouve dans la vallée de la Wartoise, affluent de l'Oise. Il abrite une des dernières forêts alluviales de la région.
La Wartoise est une rivière d'eau vive, de type ardennais, mésotrophe et très poissonneuse. Elle abrite Ranunculus penicillatus, Callitriche hamulata et des mousses aquatiques (Fontinalis antipyretica, Scapania undulata, etc). Ses berges sont peuplées de Phalaris arundinacea ; quelques criques mouilleuses sont colonisées par Chrysosplenium oppositifolium, Cardamine amara, Carex elongata, Carex vesicaria, Scirpus sylvatica, Filipendula ulmaria (Cardaminetum amarae Cardamino-Montion).
Des aulnaies mésotrophes occupent les alluvions limoneuses, avec Alnus glutinosa, Acer pseudoplatanus, Quercus robur, Stellaria nemorum subsp. glochidisperma, Ranunculus ficaria, Anemone nemorosa, Ribes nigrum, R. rubrum, Circaea x intermedia, localement aussi Aegopodium podagraria et Urtica dioica (Stellario-Alnetum). Par endroits, on passe, sur les alluvions graveleuses et plus sèches, à une aulnaie-chênaie à Luzula sylvatica.
Une chênaie mixte à charme prend place sur la partie inférieure du versant, généralement à couverture de limons hétérogènes (sols bruns acides), avec Quercus robur, Carpinus betulus, Corylus avellana, Hyacinthoides non-scripta, Arum maculatum, Anemone nemorosa, Lamium galeobdolon subsp. montanum (Endymio-Carpinetum).
Une chênaie acidophile à hêtre occupe la partie supérieure du versant, sur sol brun acide moins profond, avec Quercus petraea, Fagus sylvatica, Ilex aquifolium, Deschampsia flexuosa, Pteridium aquilinum, Luzula luzoloides (Luzulo-Quercetum), passant sur des sols plus superficiels des crêtes à une variante à Leucobryum glaucum.
Des trouées forestières sont présentes ici et là, avec comme espèces caractéristiques Sambucus racemosa et Digitalis purpurea.
Des affleurements rocheux portent des fragments de pelouses à Festuca nigrescens, Potentilla erecta, Hypericum maculatum, Centaurea nigra.
Enfin, une jeune plantation de Picea abies existe dans la partie orientale du site.
D'après la carte de Ferraris, le sud de la botte du Hainaut était largement boisé au 18ème siècle.
A partir de 1850, la région subit une déforestation très importante et rapide en vue de promouvoir son développement agricole (TULIPPE, 1939). Le bois de Gratte-Pierre est, avec le bois d'Asset situé plus au nord, l'un des rares massifs forestiers qui aient subsisté du côté belge.
Le paysage actuel, plus herbager que forestier, contraste très fortement avec les immenses massifs du versant français (Forêt domaniale de St-Michel, notamment).