Le ruisseau de Clairefontaine prend sa source au sud-est d'Arlon. C'est un affluent de l'Eisch, tributaire du bassin du Rhin. Il a creusé son cours dans le calcaire gréseux de Florenville. Le contact entre ce calcaire et la marne de Strassem est bien visible dans la carrière qui se trouve à l'amont du site.
Diverses carrières de la vallée ont d'ailleurs été très étudiées du point de vue géologique par MONTEYNE (1958).
Le microclimat de la vallée est chaud à cause de l'orientation est-ouest de la vallée et les floraisons sont précoces.
On y trouve de nombreuses espèces végétales thermophiles comme Astragalus glycyphyllos, Silene conica, Lychnis viscaria, Gentianella germanica, Verbascum lychnitis, Melissa officinalis, Campanula glomerata, Arabis glabra, Dianthus carthusianorum, Cirsium eriophorum, Salvia pratensis, etc. D'autre part, le vallon est connu pour abriter des espèces rarissimes de la flore belge : Asarum europaeum, Eranthis hyemalis, Petasites albus ainsi qu'Aristolochia clematitis. Helleborus viridis subsp.occidentalis les accompagne. Equisetum hyemale, prêle très rare forme de très beaux peuplements.
Les sables décalcifiés portent des pelouses du Koelerion à Cerastium semidecandrum, Silene conica, Scleranthus perennis, Dianthus deltoides, Jasione montana, etc. (CORINE 34.34).
Les bois avoisinants sont formés de hêtraies à aspérule, à mélique ou à luzule blanche.