Localisé dans le Condroz hutois, entre le village de Pailhe et le domaine de Modave, le site de Pailhe s'étend en bordure d'un plateau agricole en pente douce couvert de champs, de prairies et de bois, en contact avec un vallon forestier occupé par un ruisseau intermittent issu de la ferme du Roua et affluent de rive droite du ruisseau de Pailhe (sous-bassin du Hoyoux).
Il est établi sur calcaire viséen et tournaisien avec, au sud-ouest, un important dépôt tertiaire: amas et traînées de cailloux de quartz blanc à allures ravinantes et fluviatiles (Onx); sables quartzeux fins, pailletés homogènes, peu ou point visiblement stratifiés (Om), vestiges de nappes étendues et quaternaires (limons nivéo-éoliens). Une carrière y a été ouverte dans la partie nord mais son exploitation s'est terminée il y a peu.
Le site se trouve à l'extrémité orientale du tige d'Ossogne. Le paysage y est typiquement condrusien, au relief largement vallonné et marqué par une alternance de bois et de cultures. A l'est s'étend notamment le Bois de la Drève qui est en partie repris dans la réserve naturelle de Modave.
L'altitude est comprise entre 240 m (sur le plateau) et 200 m en fond de vallée.
Le site de Pailhe appartient au district phytogéographique mosan.
A l'origine, le site de Pailhe (réserve naturelle privée Ardenne et Gaume) couvrait près de 110 ha et comprenait pour la plus grande partie des frênaies ou des chênaies-frênaies, outre quelques plantations d'épicéas (environ 6 ha), de mélèzes (4 ha), de pin sylvestre (20 ares) et de douglas (75 ares).
D'après des observations recueillies les 3 et 9 mai 1990 par J. Saintenoy-Simon et al., les forêts étaient à rapporter principalement au Fraxino-Carpinion et très partiellement au Carici remotae-Alnetum. La strate arborée regroupe principalement Fraxinus excelsior et Quercus robur. Ces espèces se retrouvent dans le sous-bois avec Acer pseudoplatanus, Corylus avellana, Crataegus monogyna et d'autres ligneux, parfois même Ulmus minor. Une strate sous-arbustive assez importante est formée de Ribes rubrum, R. uva-crispa, Rubus sp., Lonicera periclymenum, etc. Dans la strate herbacée, les plantes des sols riches et frais sont les plus constantes. On y trouve Deschampsia cespitosa, Primula elatior, Brachypodium sylvaticum, Polygonatum multiflorum, Veronica montana, V. chamaedrys, Milium effusum, Circaea lutetiana, Geum urbanum, Ranunculus ficaria, Paris quadrifolia, Carex sylvatica, Valeriana repens, Sanicula europaea, Pulmonaria montana, Platanthera chlorantha, Neottia ovata, Myosotis sylvatica, Senecio ovatus, ainsi que plusieurs espèces de fougères (Athyrium filix-femina, Dryopteris filix-mas, D. carthusiana, D. dilatata) qui prennent parfois une grande importance. Mercurialis perennis est présent partout et peut former des peuplements quasi monospécifiques sur les pentes plus rocailleuses. Des espèces nitrophiles peuvent abonder par endroits, comme Urtica dioica, Galium aparine, Poa trivialis, etc. Indicatrice des forêts anciennes, Anemone nemorosa domine localement dans la chênaie-frênaie, bien que les espèces précitées persistent quasi toutes. De très belles frênaies, très claires et ouvertes existent également et accueillent une flore herbacée très dense.
Dans les fonds humides se développe une aulnaie très fragmentaire avec Rumex sanguineus, Carex remota, etc. (Carici remotae-Alnetum). Dans les chemins et les zones de débardage, Juncus effusus devient envahissant, accompagné notamment de Prunella vulgaris, Lysimachia nummularia ainsi que quelques populations d'orchidées.
La réserve naturelle telle que définie initialement n'existe plus mais une nouvelle convention a été signée entre le propriétaire et Natagora afin de protéger une zone de 10 ha comprenant une carrière de calcaire récemment désaffectée et les bois alentours. L'inventaire des habitats et des espèces présents est prévu pour 2020.
Sur la carte de Ferraris datant de 1777, le secteur de Pailhe était couvert de cultures et de petits massifs boisés.
Jusqu'à 1945 environ, une partie du site était occupé par des prairies broutées par de grands troupeaux de moutons (plus de cent têtes). Ces prairies étaient établies sous des peupliers. Après la disparition des troupeaux, ces prés ont été plantés de frênes. De même une prairie pâturée par des vaches a été boisée en peupliers vers 1950. D'autres parcelles de champs ont été boisées il y a une quarantaine d'années. L'une de ces parcelles, plantée de frênes, fut longtemps suivie et étudiée par A. THILL.
Le 11 juin 1974, une convention entre deux propriétaires privés et l'association Ardenne et Gaume a conduit à la création de la réserve naturelle de Pailhe sur une superficie de 109,5 ha. Cette convention s'étendait sur une durée de trente ans, résiliable tous les 5 ans, arrivant à échéance en 2004. La convention ne fut pas renouvelée par la suite.