높이 22m, 너비 12m(물이 많을 때), 못의 깊이 20m. 조면질(粗面質) 안산암으로 이루어진 기암 절벽에서 세찬 옥수가 떨어지는 경승지이다. 폭포 일대는 뛰어난 계곡미로도 제주에서 손꼽히는 곳인데, 이 계곡에는 아열대성·난대성의 각종 상록수와 양치식물 등이 밀생하는 울창한 숲을 이룬다.
특히 이곳에 자생하는 아열대성 상록수인 담팔수(膽八樹) 몇 그루는, 이곳이 담팔수의 북한계지에 해당된다는 점에서 희귀시되어 천연기념물 제163호로 지정되어 있고, 그 밖에도 가시딸기·송엽란(松葉蘭) 같은 희귀식물들이 분포하고 있어 계곡 전체가 천연기념물 제379호로 보호되고 있다.
식물뿐만 아니라, 폭포 아래 물속 깊은 곳에는 열대어의 일종인 무태장어가 서식하는 것으로 알려져 있는데, 이 열대어의 북한계지가 또한 이곳이라는 사실이 중요시되어 천지연폭포는 ‘제주도 무태장어 서식지’라는 명칭으로 천연기념물 제27호로 지정되어 있다.
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