이름만큼이나 빼어난 서귀포 천지연폭포는 조면질 안산암의 기암절벽이 하늘높이 치솟아 마치 신선의 세계로 들어온 것 같은 황홀경을 느끼게 한다. 천지연폭포의 하부에는 화산물질과 해양 퇴적물로 구성된 서귀포층이 분포하고, 그 상부에는 약 40만 년 전 분출된 용암이 서귀포층을 덮고 있다. 서귀포층에는 주로 회색 또는 회갈색을 띠는 사암류 및 점토로 구성되어 있고, 조기패류와 동물화석들이 섞여 있다. 40만 년 이후 서귀포 주변 해안선을 따라 대규모 단층운동이 발생하여 계단형 지형들이 형성되었고, 이후 하천이 발달하면서 여러 개의 폭포들이 만들어졌다. 용암아래 놓인 서귀포층은 계속되는 폭포수의 침식작용에 의해 깎이면서 점점 아래로 깊어져 20m에 이르는 깊은 웅덩이가 만들어졌다. 원래 폭포는 지금보다 바다에 더 가까웠으나, 오랜 시간에 걸친 침식작용으로 점점 계곡의 상류 쪽으로 이동되었던 것으로 추정된다.
천지연 계곡에는 천연기념물로 지정된 담팔수 자생지 이외에도 가시딸기, 송엽란 등의 희귀 식물과 함께 계곡 양쪽에 구실잣밤나무, 산유자나무, 동백나무 등의 난대성 식물들이 울창한 숲을 이루고 있어 천연기념물로 지정 보호되고 있다. 특히 담팔수나무는 담팔수과의 상록교목으로 우리나라에서는 안덕계곡, 천제연, 효돈천 등 제주도 남쪽해안이 섶섬, 문섬 등이 그 북한지이다. 또, 천연기념물인 무태장어는 뱀장어과에 속하는 열대성 대형 물고기인데, 천지연에서 가끔 발견되고 있다. 주로 아프리카 동부에서 남태평양, 동남아시아, 일본, 대만 등에 걸쳐 널리 분포하며, 우리나라에는 섬진강, 거제도, 영덕오십천 등의 하천에서 매우 드물게 발견되고 있다. 매우 희귀종에 속하는 물고기이므로 분포지역에 관계없이 무태장어 종 자체를 천연기념물로 지정하여 보호하고 있다.