Le site concerne la pente de la Lesse (adugeoir), et la vallée sèche de la Chavée, parfois parcourue par les eaux. Les eaux de la rivière sont de type condrusien.
Les assises géologiques sont formées de schistes du Frasnien inférieur et de calcaires du Givétien. Prairies et cultures occupent les alluvions de la rivière ainsi qu'une ancienne terrasse de la Lesse (Terrasse Moyenne ou Terrasse Principale). Les versants sont boisés.
Le site est absolument extraordinaire du point de vue géologique et géomorphologique.
VAN DE POEL, qui a admirablement décrit le Parc de Lesse et Lomme, écrit : "A Belvaux, la Lesse traverse une dépression schisteuse frasnienne. Sa vallée s'y élargit et sa plaine alluviale s'y étend. Plus en aval, elle longe d'abord, puis traverse la bande calcaire du Bois de Boine dans lequel débute le superbe méandre de la Chavée qui se développe, en s'élargissant plus au nord sur les schistes, pour venir buter contre une nouvelle bande calcaire. En face du gouffre de Belvaux, un méandre abandonné, creusé au niveau de la terrasse moyenne, isole une butte calcaire, le Chession, ancien lobe convexe de ce méandre. Le bord nord de la Chavée est découpé par un ravin sauvage et parfois escarpé encadré des beaux rochers calcaires de Serin et de la Petite Tinaimont, le Fond Saint-Martin, offrant un contraste frappant avec la dépression largement évasée qui, à quelques pas vers l'amont, rejoint en pente douce la plaine alluviale, le Fond Thyon, établi sur les schistes frasniens : exemple typique d'érosion différentielle. Au sud de Han-sur-Lesse, la Lesse traverse le noyau de l'anticlinal de Wavreille en une cluse profonde des plus pittoresque.
La traversée des bandes givétiennes par la Lesse, de Belvaux à Han, donne lieu à des phénomènes karstiques du plus haut intérêt. Traversant la dépression des schistes frasniens à Belvaux en étalant sa plaine alluviale, la Lesse vient buter immédiatement en aval du village contre une falaise calcaire haute de 60 mètres et délimitant la plaine schisteuse au nord.
Au pied de cette falaise, une partie des eaux se perd sous le rocher près de l'Hôtel des Terrasses Fleuries. Longeant d'abord sur quelque distance le massif calcaire, elle y pénètre à l'endroit où le ruisseau des Boyes vient la rejoindre pour aller se jeter quelque 600 mètres plus loin, dans le Trou ou Gouffre de Belvaux et réapparaître sur le flanc nord du massif au Trou de Han. La Lesse qui décrivait primitivement un grand méandre vers le nord, a ainsi souterrainement recoupé ce méandre en abandonnant son ancienne vallée, la Chavée, qu'elle n'occupe plus que rarement, à l'époque des hautes eaux. La distance en ligne droite du Gouffre de Belvaux au Trou de Han est de 1 km et les eaux mettent 24 heures pour la parcourir étant donné qu'elles vagabondent dans d'innombrables galeries ! La différence de niveau entre l'entrée et la sortie n'est que de 1 mètre alors que la plaine alluviale présente une dénivellation de 10 mètres entre ces deux points. C'est le niveau bas du gouffre actuel qui est la cause de la pente peu importante de la rivière.
Le Gouffre de Belvaux se présente comme un portique monumental ouvert dans les calcaires stratifiés inclinés à 50° au sud. Ce portique est formé par le détachement successif des bancs calcaires sapés par la base, un pilier massif, provisoirement épargné, soutenant la voûte qui forme un magnifique abri sous roche. La pente proprement dite est constituée en réalité par trois bouches d'engouffrement situées à des niveaux différents et qui, en temps de crue, entrent en jeu successivement. Celle au niveau le moins élevé et qui, en période normale, absorbe les eaux de la Lesse, a une profondeur de 7 à 8 mètres; la rivière y accède en creusant profondément sa plaine alluviale. La Lesse atteint le Gouffre de Belvaux par une série de rapides à travers les bancs redressés du calcaire qu'elle creuse activement."
THILL (1964) a décrit les groupements végétaux du parc Lesse et Lomme. Il note aux environs du Gouffre de Belvaux :
*En bordure de la rivière :
- l'aulnaie-frênaie à stellaire occupée par Alnus glutinosa, Fraxinus excelsior, Ulmus laevis, Acer campestre, Viburnum opulus, Cornus sanguinea, Euonymus europaeus, Sambucus nigra, Ribes rubrum, Rubus caesius, et dans la strate herbacée Elymus caninus, Impatiens noli-tangere, Rumex sanguineus, Alliaria petiolata, Aegopodium podagraria, Chaerophyllum temulum, Symphytum officinale, Calystegia sepium, etc. ;
- l'ormaie-frênaie à égopode qui rassemble Quercus robur, Acer pseudoplatanus, Ulmus laevis, Fraxinus excelsior, Sambucus nigra, Euonymus europaeus, Cornus sanguinea, Corylus avellana, Viburnum opulus parmi les ligneux et Allium ursinum, Anemone ranunculoides, Corydalis solida, Gagea lutea, Lathraea squamaria, Aconitum lycoctonum subsp. vulparia, etc. dans la strate herbacée.
*Sur les versants :
- l'érablière tilliaie à scolopendre ;
- la chênaie à charme à primevère ;
- des cultures et des prairies.