Le Bois de Gesves couvre un plateau du Condroz namurois ainsi que le versant droit de la vallée du Samson, entre les villages de Gesves au sud, et de Faulx-les-Tombes au nord. Par ses caractéristiques géologiques, pédologiques et phytogéographiques, cette région appartient à une entité particulière, le Condroz ardennais, parfois aussi appelé (à tort) l'Ardenne condruzienne. Le relief, peu marqué au niveau du plateau, s'accentue dans la partie occidentale du site, traversée par trois petits affluents du Samson dont les vallons sont orientés est-ouest. L'altitude varie de 170 m en fond de vallée à près de 280 m sur le plateau au lieu-dit Ste-Anne.
Le Samson fait partie du bassin hydrographique de la Meuse dont il est un affluent direct, la confluence se trouvant au pied des rochers de Thon-Samson. Traversant le Bois de Gesves du sud au nord, cette rivière salmonicole constitue, sur environ 2 km, la limite territoriale naturelle entre les communes de Gesves et d'Assesse. Il sépare en outre le site du Bois de Grand Pré et du Bois du Chauffage, en rive gauche du cours d'eau. Celle-ci est également empruntée par la route N942 qui relie Gesves à Namèche, dans la vallée de la Meuse.
Le Bois de Gesves repose sur des sols de type limoneux-caillouteux à charge principalement schisto-gréseuse, souvent humides à très humides, à nappe temporaire, caractérisant plus largement les plateaux (ou tiges) du Condroz ardennais. Ces sols argileux et imperméables peuvent être recouverts d'une fine couche tourbeuse et sont soumis à un régime hydrique alternatif; maigres et acides, ils sont peu propices à l'agriculture, ce qui explique le maintien de vastes massifs forestiers dans la région.
Dans la vallée du Samson, à l'ouest du Bois de Gesves, les sols sont essentiellement des alluvions modernes.
D'un point de vue climatologique, la région de Gesves se trouve dans le sous-bassin de la Meuse Amont et est caractérisée par une pluviométrie inférieure à la moyenne wallonne, avec des précipitations moyennes sur 10 ans de 911 mm (à titre comparatif, elles sont de 700 mm pour Comines et plus de 1400 mm pour la région d'Elsenborn).
Le Bois de Gesves a été décrit récemment dans le rapport final du PCDN de Gesves (TAYMANS, 2009). Le texte qui suit est largement emprunté à ce rapport.
A. Partie communale
La partie du Bois de Gesves au nord de l'école d'équitation, dans laquelle a été aménagé un sentier didactique de découverte de la forêt, est occupée par une chênaie-charmaie mélangée avec une chênaie-hêtraie acidophile. Le taillis est bien développé et comporte entre autres charme (Carpinus betulus), sorbier des oiseleurs (Sorbus aucuparia), merisier (Prunus avium), houx (Ilex aquifolium) et néflier (Mespilus germanica). On y rencontre quelques bosquets de résineux et la fougère aigle (Pteridium aquilinum) est bien représentée dans le sous-bois.
La partie du bois juste à l'est de la rue Fau Sainte-Anne est beaucoup plus humide et comporte une végétation de boulaie-chênaie sur sols tourbeux. Dans un layon situé au nord du bois, on note la laîche pâle (Carex pallescens), la molinie (Molinia caerulea) et la germandrée scorodoine (Teucrium scorodonia).
A proximité de la rue Fau Sainte-Anne, on observe en sous-bois d'un bouquet de vieux épicéas des espèces reliques de lande à bruyère, telles que la laîche à pilules (Carex pilulifera), la callune (Calluna vulgaris), le millepertuis élégant (Hypericum pulchrum), la canche flexueuse (Deschampsia flexuosa) et la germandrée scorodoine (Teucrium scorodonia). Le sol est progressivement plus humide vers l'ouest et est alors occupé par une boulaie tourbeuse au niveau de sources où se développent de beaux tapis de sphaignes (Sphagnum palustre). On y observe alors la laîche étoilée (Carex echinata), l'agrostide des chiens (Agrostis canina), la fougère femelle (Athyrium filix-femina), le jonc épars (Juncus effusus), la myrtille commune (Vaccinium myrtillus), la molinie (Molinia caerulea), la bourdaine (Frangula alnus), la canche cespiteuse (Deschampsia cespitosa), le blechnum en épi (Blechnum spicant), la callune (Calluna vulgaris), le dryopteris dilaté (Dryopteris dilatata), la danthonie tridentée (Danthonia decumbens), l'épipactis à larges feuilles (Epipactis helleborine). En aval de cette boulaie se développe une aulnaie marécageuse de sources avec laîche espacée (Carex remota), scirpe des bois (Scirpus sylvaticus), petite douve (Ranunculus flammula) et bugle rampant (Ajuga reptans).
A l'ouest de la rue Fau Sainte Anne, le Bois de Gesves est essentiellement occupé par des chênaies-boulaies pubescentes sur substrat humide. Ces chênaies-boulaies sont mêlées de quelques aulnes et frênes. On note dans la strate herbacée quelques espèces intéressantes telles que la sanicle d'Europe (Sanicula europaea), la canche cespiteuse (Deschampsia cespitosa), la laîche ovale (Carex ovalis) et le scirpe sétacé (Isolepis setacea). Les ronciers sont par endroits assez dominants.
Plusieurs espèces animales intéressantes sont observées dans le Bois de Gesves, telles que le pic noir (Dryocopus martius), le tabac d'Espagne (Argynnis paphia), l'écaille chinée (Euplagia quadripunctaria) et la grenouille rousse (Rana temporaria).
Au niveau des sources se développent des aulnaies-frênaies de sources où l'on observe la scutellaire toque (Scutellaria galericulata), la laîche espacée (Carex remota), la fougère femelle (Athyrium filix-femina), la glycérie (Glyceria sp.), la lysimaque des bois (Lysimachia nemorum), le bugle rampant (Ajuga reptans), le jonc épars (Juncus effusus), la menthe des champs (Mentha arvensis), le jonc acutiflore (Juncus acutiflorus), la laîche des marais (Carex acutiformis), la laîche pendante (Carex pendula), le scirpe des bois (Scirpus sylvaticus), la fougère aigle (Pteridium aquinilum), la salicaire (Lythrum salicaria), le gaillet des marais (Galium palustre), la reine des prés (Filipendula ulmaria), la valériane dioïque (Valeriana dioica), le cirse des marais (Cirsium palustre), le lotier des fanges (Lotus pedunculatus), ainsi que des tapis de sphaignes (Sphagnum palustre, Sphagnum cf. fimbriatum). Quelques aulnes blancs (Alnus incana) y sont également présents.
Les chemins fangeux sont colonisés par la laîche déprimée (Carex demissa), l'agrostide commun (Agrostis capillaris) et la prêle des bois (Equisetum sylvaticum).
B. Versant sud-ouest
Le versant sud-ouest du Bois de Gesves, au niveau du Tienne Saint-Martin, dans la vallée du Samson, est caractérisé par un substrat très sec et caillouteux sur lequel se développe une chênaie acidophile mêlée de pins sylvestres (Pinus sylvestris). On y note la présence de la canche flexueuse (Deschampsia flexuosa) et de la callune (Calluna vulgaris). Le grillon des bois (Nemobius sylvestris) affectionne particulièrement l'exposition ensoleillée.
C. Partie «FUNDPN»
La partie nord-ouest du Bois de Gesves, propriété des Facultés Notre-Dame de la Paix de Namur (actuellement Université de Namur), est principalement occupée par des plantations de résineux (épicéas et pins sylvestres). Néanmoins, cette partie du bois comporte un très grand intérêt biologique en raison notamment des caractéristiques des sols.
Les plantations d'épicéas sont implantées sur des sols gorgés d'eau acide et leur rendement est donc très faible. Or, ces sols tourbeux, au niveau des trouées lumineuses, par exemple dans les layons forestiers, sont colonisés par une végétation très intéressante d'espèces de landes humides et bas-marais acides, telles que le jonc acutiflore (Juncus acutiflorus), mais encore le millepertuis perforé (Hypericum perforatum), des glycéries (Glyceria sp.), le jonc épars (Juncus effusus), la menthe des champs (Mentha arvensis), le jonc grêle (Juncus tenuis), le jonc des crapauds (Juncus bufonius), le jonc bulbeux (Juncus bulbosus), le cirse des marais (Cirsium palustre), le millepertuis élégant (Hypericum pulchrum), l'agrostide des chiens (Agrostis cf. canina), la laîche déprimée (Carex cf. demissa), la tormentille (Potentilla erecta), la callune (Calluna vulgaris), la myrtille (Vaccinium myrtillus), le saule à oreillettes (Salix aurita), le bouleau pubescent (Betula pubescens), le lotier des fanges (Lotus pedunculatus), la scutellaire toque (Scutellaria galericulata), la laîche ovale (Carex ovalis), la molinie (Molinia caerulea),... De nombreuses plaques de sphaignes s'y développent par ailleurs (Sphagnum palustre et Sphagnum cf. fimbriatum).
Les plantations de pins sont par contre généralement implantées sur des sols gréseux secs. Leur sous-bois est par conséquent occupé par une végétation acidophile dans laquelle on observe la callune (Calluna vulgaris), la luzule blanche (Luzula luzuloides) ou encore le genêt à balais (Cytisus scoparius).
La lisière nord du bois comporte une hêtraie-chênaie acidophile mêlée de quelques chênes rouges (Quercus rubra). Le sous-bois est constitué notamment de bourdaine (Frangula alnus) et de houx (Ilex aquifolium). La laîche pendante (Carex pendula) y est très abondante. On note dans cette partie du bois feuillu la luzule des bois (Luzula sylvatica), la molinie (Molinia caerulea), le chèvrefeuille des bois (Lonicera peryclimenum), la canche flexueuse (Deschampsia flexuosa), la myrtille (Vaccinium myrtillus), le mélampyre des prés (Melampyrum pratense), la petite douve (Ranunculus flammula), la germandrée scorodoine (Teucrium scorodonia), la houlque molle (Holcus mollis), le millepertuis élégant (Hypericum pulchrum). De plus les prairies de la lisière nord étant plantées d'arbres, notamment d'épicéas (Picea abies), on peut considérer qu'on est en présence d'un pré-bois.
La partie ouest du Bois de Gesves est occupée par une jeune pinède, mélangée de chênes, bouleaux et charmes. Le sous-bois est colonisé notamment par le genêt à balais (Cytisus scoparius) et la luzule blanche (Luzula luzuloides). On y observe quelques lambeaux de lande à callune et myrtille (sur affleurements de poudingues gréseux) dans lesquels poussent la tormentille (Potentilla erecta), le millepertuis rampant (Hypericum humifusum) et la laîche à pilules (Carex pilulifera). Le grillon des bois (Nemobius sylvestris) affectionne particulièrement ce coin de bois.
D. Fond alluvial du Samson
Le fond alluvial de la vallée du Samson, dans sa traversée du Bois de Gesves, est occupé par une belle aulnaie-frênaie alluviale, entrecoupée par des bras morts du Samson. Le martin-pêcheur (Alcedo atthis) et le cincle plongeur (Cinclus cinclus) y sont régulièrement observés.
Une espèce partiellement protégée, l'érythrée petite centaurée (Centaurium erythraea), pousse sur le sentier parcourant la vallée.