Les étangs, créés à l'époque du chemin de fer vapeur (fin 19e-début 20e siècle), occupent le fond d'un vallon évasé à versant en pente faible, dont les eaux sont tributaires du ruisseau de Saupont, affluent de la Vierre (bassin de la Semois).
Le bassin versant est occupé par les assises du Gedinnien (Gb) avec des schistes bigarrés plus ou moins noduleux pourvus de bancs d'arkoses (assise de Oignies; des grès, schistes verdâtres et quartzophyllades (assise de St-Hubert). C'est sans doute surtout l'assise d'Oignies qui contribue à la teneur en calcium des eaux locales.
Les eaux de l'étang sont mésotrophes (pH 5,4-6; teneur en Ca de 6,67mg/l). Elles sont enrichies en nitrates (5mgNO3/l) et phosphore (0,075mgPO4/l) que l'on suppose d'origine agricole. L'oxygénation des eaux demeure favorable : 99 à 109% d'oxygène dissous vers 10cm de profondeur, en été 1975.
Le bassin versant de l'étang (±160ha) est occupé par des prairies amendées dans les deux vallons d'amont et par des plantations d'épicéa dans tous les versants environnant le site.
Un second étang plus petit, celui de la Ferme Brédau, est sensiblement plus ancien et antérieur à 1770. Il est davantage enrichi en NO3(2,42mg/l) et en phosphore (0,05mg/l). Il est relié à l'étang de Luchy par un canal et a pu de ce fait accélérer la colonisation de l'étang de Luchy.
L'étang de Luchy présente un grand intérêt sur les plans botanique et phytosociologique. Les végétations aquatiques et amphibies sont disposées en ceintures périphériques, en rapport avec les fluctuations du plan d'eau. Celles-ci étaient très importantes au temps où l'étang alimentait la gare de Bertrix. Actuellement le plan d'eau s'abaisse, selon les années, à (0,7)1-1,50(2m) en-dessous du niveau maximum. Ces fluctuations sont entretenues par des fuites de la digue détériorée.
La végétation aquatique (Potamion) est dominée par Potamogeton obtusifolius dans les eaux profondes (80 à 170 cm en été) et par Potamogeton berchtoldii dans les eaux moins profondes (30 à 60 cm en été). L'un et l'autre sont accompagnés par Callitriche hamulata, Ranunculus peltatus et Luronium natans. Elatine hexandra apparaît dans la frange extérieure (Potamion).
Les végétations amphibies des rives périodiquement exondées (Littorellion) correspondent à des gazonnements de Littorella uniflora avec Elatine hexandra dans la frange intérieure, Juncus bulbosus, Veronica scutellata, Ranunculus flammula, Hydrocotyle vulgaris et Eleocharis palustris dans la frange extérieure. L'exondaison de cette zone dure de 3 à 4 semaines et jusqu'à 3 à 4 mois dans la frange extérieure. Le substrat est recouvert de vase (Littorellion).
La végétation littorale de l'étang est formée par des herbages inondés en hiver à Ranunculus flammula, Hydrocotyle vulgaris, Mentha arvensis, Lysimachia vulgaris, Eleocharis palustris, avec des colonies de Carex rostrata (Molinion) et, en bordure, de Carex vesicaria. Quelques colonies de Bidens tripartita, Persicaria lapathifolia et P. persicaria (Bidention) existent également.
La frange ligneuse la plus externe, encore soumise à la transgression du niveau hivernal des eaux, sont des saulaies à Salix cinerea, Salix aurita, Frangula alnus, Lysimachia vulgaris, Lycopus europaeus et Scutellaria galericulata (Salici-Franguletum). Des îlots de Quercus robur et Betula pubescens existent en quelques endroits de la saulaie (rive est).
Les végétations de terre ferme du bas des versants au-dessus de la rive est, sont formées par une chênaie de chêne pédonculé oligo-mésotrophe, avec Holcus mollis, Luzula luzuloides (rare), Sambucus racemosa, Ribes rubrum et Viola riviniana (Luzulo-Quercetum violetosum).
En 2006, le niveau d'eau est resté très élevé, entrainant la disparition, au moins provisoire, de la zonation végétale de cet étang, y compris donc les groupements des vases exondées. L'année suivante (cf. visite des Naturalistes de la Haute Lesse, LEBRUN, 2007), le niveau est maintenu nettement plus bas et l'on assiste, sur la rive ouest, au re-développement du Littorellion avec sa caractéristique, Littorella uniflora, ainsi que Juncus bulbosus, Gnaphalium uliginosum, Lythrum portula, Hydrocotyle vulgaris, Riccia huebeneriana.
Une étroite frange végétale s'y est maintenue localement, avec notamment Carex vesicaria, Carex elata, Phalaris arundinacea, Lythrum salicaria, Comarum palustre, Sparganium emersum, ... La présence de C. elata est à souligner car c'est une espèce rarissime qui n'était plus signalé que d'une seule localité wallonne (Ben-Ahin) !
Un peuplement de Persicaria amphibia, espèce rare en Ardenne, se développe dans le coin sud-est du grand étang, au pied de la digue. En 2007, on y a observé Elophila nymphaeata, Lépidoptère Pyralidae à larves aquatiques liées à divers hydrophytes.
L'évolution de la flore et de la végétation au cours depuis les années 1970 a été bien décrite en détail par DELESCAILLE & COUVREUR (2008).
La faune est riche et variée, mais plusieurs espèces emblématiques ont disparu au cours des dernières décennies. Parmi les reptiles, la vipère fut signalée jadis des environs de Luchy, la dernière observation connue datant des années 1960 (dans une petite lande à bruyère aujourd'hui reboisée, G.-H. Parent).